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Un proceso cuántico convierte en electricidad la radiación infrarroja

Científicos saudíes han encontrado la forma de obtener electricidad a través de la radiación infrarroja que emite el planeta. Se han valido de nano-antenas que usan el efecto túnel cuántico para que los electrones puedan traspasar un diodo y transformar las ondas infrarrojas en corriente eléctrica. Un prototipo que puede revolucionar el sector energético.

Un proceso cuántico convierte en electricidad la radiación infrarroja

La mayoría de la luz solar que golpea la Tierra es absorbida por sus superficies, océanos y atmósfera. Como resultado de este calentamiento, la radiación infrarroja se emite constantemente a nuestro alrededor.

Estimada en millones de gigavatios por segundo, esta radiación infrarroja residual es capaz de abastecer la demanda energética de la humanidad miles de veces.

Un equipo de Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdalá, en Arabia Saudita,  ha desarrollado un dispositivo que puede aprovechar esta energía, así como el calor residual de los procesos industriales, y transformarla  en electricidad útil.

A diferencia de los paneles solares que están limitados por las horas del día y las condiciones climáticas, el calor infrarrojo puede ser recogido las 24 horas del día. Una forma de lograrlo es tratar el exceso de calor infrarrojo como ondas electromagnéticas de alta frecuencia.

Utilizando antenas diseñadas específicamente para esta investigación, las ondas electromagnéticas recogidas se envían a un rectificador, típicamente un diodo semiconductor, que convierte las señales alternas en carga de corriente continua para baterías o dispositivos eléctricos.

Efecto túnel

El proceso se consigue mediante la fabricación de una rectenna o rectena, (rectifying antenna o antena rectificadora), un tipo especial de antena que se usa para convertir directamente microondas en corriente continua. En esta investigación, como la longitud de las ondas infrarrojas es extremadamente corta, para poder aprovecharlas fue necesario construir rectenas realmente minúsculas.

Además, las ondas infrarrojas oscilan miles de veces más rápido que un semiconductor típico. «No hay ningún diodo comercial en el mundo que pueda funcionar con tanta frecuencia», explica Atif Shamim, líder de proyecto de KAUST, en un comunicado. Por eso han recurrido al efecto túnel.

El efecto túnel es un fenómeno cuántico que permite a una partícula superar una barrera que en teoría no podría traspasar por falta de capacidad. Por ejemplo, una bala disparada desde la base de una montaña necesita una cierta cantidad de energía para llegar a la cúspide y llegar al otro lado. Pero una bala cuántica no: puede llegar al otro lado de la montaña gracias a la indeterminación de su posición, que es la base de cualquier fenómeno cuántico.

Pues ese efecto túnel, según los investigadores, puede ayudar a la construcción de las citadas antenas nanométricas y obtener energía de la naturaleza: los electrones pueden atravesar una pequeña barrera, gracias a un diodo regido por el efecto túnel (Metal-Insulator-Metal), y transformar las ondas infrarrojas en corriente eléctrica.

Nano-antena con diodo

Lo han comprobado construyendo una nano-antena en forma de mariposa que incorpora una película aislante muy delgada entre dos brazos metálicos ligeramente recubiertos de oro y titanio.

El invento es capaz de generar campos eléctricos intensos, necesarios para el buen funcionamiento de la nano-antena. El diodo MIM ha capturado con éxito la radiación infrarroja y sólo se enciende cuando es necesario.

Y aunque de momento sólo se trata de una etapa del proceso innovador superada con éxito, todavía quedan muchos problemas técnicos por resolver antes de que pueda confirmarse la viabilidad del dispositivo.

Uno de los problemas a resolver es que consume mucha energía, pero si las investigaciones se desarrollan según lo previsto, será posible conectar millones de micro-antenas para aumentar la producción de electricidad en un país o una región. Toda una revolución para el sector energético.

No es la primera vez que se intenta obtener electricidad del espectro electromagnético. En 2014, investigadores norteamericanos lo intentaron con un “colector de energía emisiva” y también con rectenas, según explicaron en un artículo publicado en PNAS.

Referencia

Optical rectification through an Al2O3 based MIM passive rectenna at 28.3 THz. Materials Today Energy, Volume 7, March 2018, Pages 1-9. DOI:https://doi.org/10.1016/j.mtener.2017.11.002

RedacciónT21

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