Planean convertir la emisión infrarroja de la Tierra en una fuente de energía

Un equipo de físicos de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de EEUU ha ideado dispositivos con el que aprovechar la energía de las emisiones infrarrojas que la Tierra lanza al espacio, para generar un flujo continuo de carga eléctrica o de corriente continua (CC).

Nuestro planeta, por la energía solar que incide en él, está más caliente que su gélido entorno.

Gracias a avances tecnológicos recientes, este desequilibro de calor podría ser aprovechado como una fuente de energía vasta e inexplotada por ahora, publica Caroline Perry en un comunicado de la SEAS.

Pero para poder “generar energía por emisión, y no por absorción de luz”, algo que parece contrario a la lógica, hay que hacer uso de una aplicación completamente nueva, basada en la física de nanoescala, explica el principal investigador y autor de la idea, Federico Capasso.

Desafío a la lógica

Capasso es famoso a nivel mundial como experto en física de semiconductores, fotónica y electrónica. Co-inventó en 1994 el láser infrarrojo de cascada cuántica, y en 2001 demostró que un fenómeno cuántico electrodinámico elusivo conocido como “fuerzas de Casimir” funcionaba (él y sus colaboradores consiguieron en concreto poner en marcha un sistema microelectromecánico o MEMS con dichas fuerzas, que eran mínimas).

Capasso y su equipo siempre han tratado de cuestionar las suposiciones establecidas sobre óptica y electrónica, de manera rigurosa. Ahora se han lanzado a cuestionar las ideas sobre uno de los rangos del espectro electromagnético (que es el conjunto de las ondas electromagnéticas que emite cualquier objeto): el infrarrojo medio, a menudo también denominado infrarrojo térmico.

Según el científico “el infrarrojo medio ha sido, en general, una parte descuidada del espectro”, por su dificultad para trabajar con él. Pero Capasso propone aprovecharlo fabricando un panel solar fotovoltaico que, en lugar de capturar la luz visible entrante, genere energía eléctrica a partir de la emisión de luz infrarroja.

“La luz del Sol tiene energía, así que la fotovoltaica tiene sentido; simplemente se recoge esa energía. Pero eso no es tan simple realmente, y capturar energía de luz infrarroja emitida es incluso menos intuitivo”, señala Steven J. Byrnes, uno de los colaboradores de Capasso en el SEAS y principal autor de un artículo sobre la idea publicado aparecido en PNAS.

“No resulta obvia la cantidad de energía que podría generarse por esta vía (…) hasta que te sientas y haces cálculos”. Resulta que éstos han demostrado que la energía producida sería modesta pero real. De este modo, un dispositivo que aprovechase las emisiones infrarrojas podría, por ejemplo, acoplarse a una célula solar tradicional para obtener un extra de energía durante la noche, sin coste de instalación añadido.

Dos dispositivos propuestos

Para demostrar las posibilidades del sistema, el grupo de Capasso sugiere fabricar dos tipos distintos de recolectores de la energía infrarroja emitida: uno análogo a un generador de energía solar térmica, y otro similar a una célula fotovoltaica. Aunque ambos funcionarían a la inversa.

El primero de los sistemas sería un plato “calentado” a la temperatura de la Tierra y del aire, con otro plato “frío” situado sobre él. Los científicos han calculado que la diferencia de calor entre ambos platos generaría unos cuantos vatios por metro cuadrado, día y noche.

El segundo dispositivo estaría basado también en las diferencias de temperatura, pero entre componentes electrónicos fabricados a nano escala (en concreto, diodos y antenas).

Simplificando, los componentes de un circuito eléctrico pueden de manera espontánea impulsar una corriente en cualquier dirección. Si en un sistema un diodo se encuentra a una temperatura más alta que un resistor o resistencia eléctrica, el primero impulsará una corriente eléctrica en una dirección, produciendo un voltaje positivo.

Capasso y su equipo sugieren que el papel de esa resistencia podría desempeñarlo una antena microscópica que emitiera de manera muy eficiente la radiación infrarroja natural de la Tierra hacia el cielo, enfriando los electrones presentes sólo en una parte del circuito.

El resultado, asegura Byrnes, sería “conseguir una corriente eléctrica directamente del proceso de radiación, sin tener que pasar el paso intermedio de enfriar un objeto macroscópico”. Según el artículo, un solo dispositivo plano podría ser revestido con muchos de estos circuitos pequeños, dirigidos hacia el cielo, y así usado para generar energía.

Desafíos pendientes

El novedoso método sería factible gracias a desarrollos tecnológicos recientes, como los avances en plasmónica, en electrónica a pequeña escala, en nuevos materiales como el grafeno o en nanofabricación.

Sin embargo, incluso los mejores diodos de infrarrojo modernos presentan un problema. El voltaje que se produce a partir de emisiones infrarrojas es relativamente bajo y “es muy difícil crear un diodo de infrarrojo que funcione bien” con esos voltajes, afirma Byrnes.

Los ingenieros y los físicos del equipo de investigación están considerando nuevos tipos de diodos que puedan rendir bien con los voltajes más bajos, como diodos túnel‎ o diodos balísticos. También contemplan incrementar la impedancia de los componentes del circuito para aumentar el voltaje hasta un nivel más práctico.

La velocidad supone otro desafío, pues para las señales infrarrojas se necesita un tipo de diodo que se pueda encender y apagar 30 trillones de veces por segundo. “Necesitamos atender los requisitos de velocidad al mismo tiempo que los requisitos de voltaje e impedancia”, explica Byrnes, y concluye: “Ahora que comprendemos las restricciones y necesidades, nos encontramos en una buena posición para trabajar en el diseño de una solución”.

Referencia bibliográfica:

Steven J. Byrnes, Romain Blanchard, and Federico Capasso. Harvesting renewable energy from Earth's mid-infrared emissions. PNAS (2014). DOI: 10.1073/pnas.1402036111.