domingo, 12 de febrero de 2012

Nanodinamita: energía a nanoescala.




Los avances en la elaboración de nanomáquinas ponen cada vez más de manifiesto que uno de los factores limitantes para su desarrollo es la generación de energía de forma eficiente a nanoescala, algo que el escalado de los sistemas convencionales no puede conseguir. Michael Strano, del MIT (EE.UU.), y Kourosh Kalantar-Zadeh, del RMIT (Australia) están trabajando con un dispositivo experimental basado en nanotubos que genera electricidad de una forma que no tiene equivalente macroscópico. Lo llaman nanodinamita porque usa un explosivo como fuente de energía. Lo han presentado en Spectrum.

El fundamento de la nanodinamita es contraintuitivo: Al recubrir un nanotubo con nitrocelulosa y prender un extremo se origina una onda de combustión que se transmite cuatro órdenes de magnitud más rápido de lo que lo haría en el combustible sólo. Además la onda de calor origina una corriente eléctrica.

Antes de entrar en algo más de detalle, parémonos a considerar el problema que supone la generación de energía para nanodispositivos con un par de ejemplos. En primer lugar, ¿qué nos impide seguir disminuyendo el tamaño de las baterías químicas convencionales? El principal problema está en que el rendimiento comienza a disminuir muy rápidamente cuando se reduce el tamaño de la batería a una decenas de micrometros (para que te hagas una idea el papel de aluminio de uso doméstico tiene unos 15 micrometros de espesor). Los compuestos químicos que componen la batería pueden formar agregados de tamaños significativos a esta escala lo que dificulta drásticamente el flujo de iones, reduciendo la densidad de potencia (cuantos vatios genera por kilo o, en general, por unidad de masa) de la batería.

Pensemos entonces en un sistema eficiente de almacenamiento de energía con una conversión eficiente en trabajo mecánico: los motores de cohete. Desafortunadamente no soportan bien el escalado (cambio de tamaño, manteniendo proporciones y funcionalidad). A día de hoy los motores de cohete más pequeños ven reducida su densidad de potencia a sólo 0,1 W/kg, una parte minúscula de lo que consigue una batería de ion-litio normalita de tamaño equivalente, 200 W/kg.

Volvamos entonces a la nanodinamita. La nitrocelulosa es un explosivo plástico y es capaz de almacenar grandes cantidades de energía por unidad de masa, lo que lo hace ideal para el experimento que nos ocupa. Los investigadores recubrieron nanotubos de carbono con nitrocelulosa. Cuando encendieron un extremo usando un láser (un cable caliente serviría igual) la nitrocelulosa comenzó a descomponerse (la nitrocelulosa arde incluso privada de oxígeno por la cantidad de oxidante que incorpora en su composición en forma de grupos nitro), originando una onda de calor que empezó a propagarse por el nanotubo. La onda de combustión resultante viajó por el nanotubo 10.000 veces más rápido de lo que hubiese ardido la nitrocelulosa por sí misma.

¿Cómo es esto posible? Por la excelente capacidad conductora del calor del nanotubo. Al propagarse el calor que entra en el nanotubo mucho más rápido que “dentro” de la propia nitrocelulosa, significa que va activando la nitrocelulosa conforme viaja, con lo que mucha más nitrocelulosa entra en actividad más rápidamente. ¿Pero esto no es una explosión? No, la combustión está controlada en todo momento: el nanotubo guía la descomposición de la nitrocelulosa en la superficie mientras hace que la reacción se mueva en una dirección, sirviendo de guía a la onda.

Esta onda de combustión se convierte además en una onda termoeléctrica porque transmite energía de un lugar a otro acoplándose con los portadores eléctricos del nanotubo, haciendo que se muevan a lo largo del tubo y creando con ello una corriente eléctrica muy grande en relación a la masa del sistema. Estamos hablando de densidades de potencia del orden de 7.000 W/kg, cuatro veces más que las mejores baterías ion-litio disponibles.

Si bien esta tecnología está todavía en fases muy iniciales, abre toda una nueva vía de investigación en nanoenergía.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la VII Edición del Carnaval de la Tecnología organizada por Zemiorka.