Nuevos desafíos en el sector energético

El sector energético se enfrenta a retos cada vez más apremiantes, como son la necesidad de hacer frente a una demanda de energía creciente, pero de forma respetuosa con el medio ambiente. Las acciones energéticas que hoy emprendemos determinarán el futuro de las sucesivas generaciones. Debemos ser respetuosos y esforzarnos en entregar a los que vienen al menos un planeta como el que nos hemos encontrado. Debemos también sensibilizarnos y mirar a todos los rincones del planeta, tal como promueve el «Año internacional de la energía sostenible para todos» que estamos viviendo.

La energía dirige la economía de las naciones. Por ello, no es de extrañar que los países que no tienen qué llevarse a la boca para comer sean también los más «hambrientos de energía». Uno sólo tiene que observar un mapa de luminosidad nocturna para darse cuenta de esta triste realidad, que hace que, por ejemplo, muchos niños no puedan realizar las tareas escolares una vez que cae la luz del Sol. Por su carácter descentralizado, algunas energías renovables podrían ser de gran ayuda en estos países. El MIT dedica gran parte de sus esfuerzos a la investigación en este tipo de energías limpias y, en general, a todo lo relativo a la captura y generación de energía, almacenamiento y transporte de la misma, sin descuidar otro elemento crucial como es la eficiencia energética.

Energía solar

Entre las denominadas fuentes de energía renovables, el Sol ocupa un lugar destacado. Se trata de una energía limpia, gratuita e inagotable, al menos durante un largo período de tiempo. Su potencial es enorme. Una sola hora de Sol bastaría para abastecer las demandas energéticas de la humanidad durante todo un año. Por otra parte, el Sol es un reactor de fusión remoto que no requiere de nosotros para su mantenimiento. Además, es un recurso ampliamente distribuido, descentralizado y accesible a todos, independientemente de la ubicación geográfica. En el Sol podríamos encontrar uno de los grandes aliados para hacer posible una auténtica «energía sostenible para todos».

La energía es consumida por la humanidad en múltiples formas, pero una de las más útiles y portables es la electricidad. En 1954 los laboratorios Bell desarrollaron las primeras celdas solares fotovoltaicas, capaces de convertir la luz en electricidad. A pesar de las mejoras en el rendimiento durante los últimos cincuenta años, el alto coste es un factor que ha limitado en gran medida su expansión. Se necesitan nuevas estrategias para superar estas dificultades.

Jugando a atrapar la luz de Sol

«Todos los días juegas con la luz del Universo», sostenía Pablo Neruda en uno de sus poemas. Y, ciertamente, ya desde niños jugábamos con la luz del Universo. Orientábamos una lupa adecuadamente hacia el Sol y bajo la misma situábamos un pequeño papel. ¡Sorprendentemente, como si de magia se tratase, el papel comenzaba a arder! Detrás de esa aparente magia están las leyes de la óptica. La lupa actúa a modo de embudo solar, canalizando y magnificando los rayos del Sol hacia una pequeña región y multiplicando su poder.

En el grupo de semiconductores blandos del MIT, dirigido por Marc Baldo, investigamos en el desarrollo de una nueva tecnología de captura y concentración de la luz solar, que guarda ciertas analogías con la lupa que acabamos de mencionar. La tecnología utiliza unas pinturas luminiscentes -unos tintes nanoestructurados- que al depositarlos sobre la superficie de un cristal actúan a modo de embudo o guía de ondas, capturando la luz solar y remitiéndola y redirigiéndola hacia los extremos de la superficie cristalina, donde celdas solares la convertirán en electricidad. Esta tecnología se conoce como «concentrador solar luminiscente». La ventaja de este sistema es que con el mismo conseguimos disminuir significativamente el tamaño de las costosas celdas solares, ahora reducidas al tamaño de los bordes del cristal. Asimismo, disponemos de una gran superficie -las caras del cristal-, lo que nos permite capturar una gran cantidad de luz. Cabe señalar también que utilizamos diferentes pinturas para capturar diferentes zonas o colores del espectro solar.

Récord de eficiencia en la captura de energía solar

Con el objetivo de incrementar la eficiencia, hemos diseñado un sistema de «antenas moleculares inteligentes». Éstas capturan la radiación solar desde cualquier ángulo, pero sólo la remiten hacia los extremos del cristal, evitando así pérdidas innecesarias por las caras del mismo. Haciendo uso de esta tecnología hemos logrado aumentar un 16% la eficiencia de captura de la radiación, que ahora se sitúa en un 81%, la más alta hasta la fecha. Al mismo tiempo, esta emisión controlada y direccional nos permite escalar las dimensiones del cristal sin sacrificar su eficiencia, un paso clave a la hora de transferir el producto del laboratorio al mercado.

Por otra parte, frente a los concentradores solares convencionales -basados en lentes o espejos-, los concentradores solares luminiscentes no precisan de un costoso procedimiento de seguimiento u orientación hacia el Sol, como también haría un girasol. Al contrario, funcionan en modo estático y utilizan materiales muy baratos. Además, pueden recoger no sólo la radiación que nos llega directamente del Sol, sino también la radiación difusa -esa que ha sufrido las distorsiones de la atmósfera-, lo que posibilita su uso en días nublados o condiciones climatológicas adversas. Presentan la ventaja adicional de la integración arquitectónica. ¡Las ventanas de nuestras casas podrían actuar a modo de centrales eléctricas! Los teléfonos móviles, pantallas de nuestros ordenadores o lectores electrónicos cada vez incorporan mayor superficie de cristal y por ello también podrían beneficiarse de esta tecnología.

Baterías rápidas y altamente energéticas

Uno de los cuellos de botella de las baterías es su densidad de energía o capacidad de almacenamiento. Traducido al coche eléctrico, una densidad de energía elevada se traduce en una mayor autonomía del vehículo o mayor número de kilómetros que es capaz de recorrer antes de la siguiente recarga. Con las actuales baterías de ión-litio, esta autonomía no suele ir mucho más allá de los 150 kilómetros. Pero en los laboratorios se están realizando importantes avances. La investigadora del MIT Paula Hammond ha logrado multiplicar por diez la densidad de energía de las baterías de ión-litio mediante la incorporación de nanotubos de carbono. Si esta tecnología llega al mercado, posibilitaría coches con una autonomía de 1.500 kilómetros y móviles con una duración diez veces superior de la batería.

Por otra parte, no es deseable tener que esperar horas para cargar la batería de un coche o un celular, como sucede actualmente. Utilizando nanofosfatos de litio, el investigador del MIT Gerbrand Ceder ha conseguido un aumento significativo de la velocidad de carga de las baterías. ¡Las simulaciones predicen que un teléfono móvil podría cargarse en segundos y un coche, en minutos! La compañía A123 Systems, que nació como una «spin-off» del MIT, será la encargada de comercializar esta tecnología.

En una era en la que lo inalámbrico parece ser la norma, desde los teléfonos móviles a las conexiones wifi, el MIT parece decidido a cortar el último cable que nos mantiene atados, el de la electricidad. En el año 2007 investigadores del centro, liderados por Marin Soljacic, lograron transmitir electricidad inalámbricamente. En el experimento inicial encendieron una bombilla situada a más de dos metros de distancia de la fuente de alimentación. La idea de la electricidad inalámbrica no es realmente nueva. Debemos remontarnos, entre otros, a los trabajos pioneros de Nikola Tesla. Pero los científicos del MIT consiguen hacer esta transmisión hasta un millón de veces más eficiente y sin necesidad de estar el emisor y el receptor excesivamente cercanos, como sucede en las bobinas de nuestros transformadores que usamos en la vida cotidiana o en los cepillos de dientes eléctricos con respecto a su base de carga. Para ello, los investigadores se valen de un fenómeno conocido como resonancia, el mismo por el que la voz de un cantante es capaz de intercambiar energía mecánica con una copa y romperla.

Para comercializar esta tecnología, el MIT ha creado la compañía Witricity. Las aplicaciones más cercanas al mercado serían las que permiten recargar inalámbricamente un teléfono móvil, un ordenador u otros «gadgets» tecnológicos en nuestros hogares u oficinas, así como alimentar directamente televisiones u otros dispositivos que no incorporan baterías. La empresa ya tiene también prototipos de recarga inalámbrica para coches eléctricos.

Cuando usted lee las páginas de este periódico en la edición impresa no está consumiendo energía alguna, el papel no requiere de ninguna fuente de alimentación externa. No ocurre así si usted lee el periódico en la pantalla de su ordenador o del iPad. Retener la imagen en la pantalla tiene un gasto energético continuo, consecuencia del chorro de luz emergente de la parte trasera de la pantalla para formar la imagen. «La ventaja de la pantalla es que usted puede actualizar fácilmente la imagen, mientras que la página de su periódico o libro impreso ya es inmutable para siempre», sostiene Joseph M. Jacobson, investigador del MIT Media Lab. Su objetivo fue crear un dispositivo híbrido que combinase el gasto energético nulo del papel con la naturaleza camaleónica de las pantallas. Y lo consiguió. Era el año 1998 y aparecía la tinta electrónica.

El popular lector de libros Amazon Kindle llegó a España las pasadas Navidades y batió récords de ventas. Incorpora la tinta electrónica desarrollada en el MIT y comercializada a través de E Ink, empresa ubicada en Massachusetts. ¡Cuando usted lee una página de un libro en este dispositivo, el gasto energético es cero! Y es que no hay ninguna luz que emerja desde la parte trasera del mismo para dibujar la imagen, motivo por el que también es más amigable para nuestra vista. Lo que usted está viendo son millones de partículas de color blanco o negro, que orientadas adecuadamente trazan un texto o los contornos de una fotografía. Cuando pasa página, las partículas se reorientan adecuadamente para dibujar la nueva imagen y ése es el único momento en el que hay gasto energético. Las partículas están cargadas para poder ser orientadas bajo la acción de campos eléctricos, un procedimiento conocido como electroforesis.

Este «Año internacional de la energía sostenible para todos» promueve tres grandes retos que deberían ser alcanzados en 2030: asegurar el acceso universal a las fuentes de energía modernas como la electricidad, doblar el uso de las renovables en el mapa energético mundial y ser más eficientes energéticamente, esto es, consumir menos energía. La consecución de estos objetivos implica la actuación de varios agentes: los investigadores y las empresas desarrollando tecnologías eficientes y económicamente competitivas, los gobiernos promoviendo su implantación mediante políticas adecuadas y, aunque en principio nos pueda sorprender, nosotros mismos. Y es que a nivel individual también podemos dejar nuestra huella ecológica. Por ejemplo, si todos reemplazásemos una sola de nuestras bombillas incandescentes convencionales por luces LED, mucho más ecológicas, evitaríamos la combustión de millones de toneladas de carbón. ¡Todos somos parte del problema y también de la solución!

«La mejor forma de predecir el futuro es inventándolo», sostenía el gurú de la computación Alan Kay. Fieles a esta filosofía, hemos querido vaticinar los tiempos que se nos avecinan asomándonos al Instituto Tecnológico de Massachusetts, un laboratorio donde se inventa el futuro. Por la variedad, hermosura y riqueza de los paisajes, no ha sido sencillo trazar el itinerario a seguir, un itinerario que en cualquier caso no está exento de cierta subjetividad. Somos conscientes de que han quedado grandes voces en el camino, que gozan de nuestra mayor admiración y respeto. Pero, como en todo viaje, hay que elegir. Aun así, hemos encontrado un denominador común, quizá la clave del éxito de la institución. ¡En el MIT te permiten soñar! Y es que, como apuntaba el físico y filósofo de la ciencia Gerard Holton: «En ciencia, el punto de partida no es la objetividad, sino la creencia apasionada en algo que puede que no exista, pero que merece la pena buscar».

Releer cartas antiguas es un ejercicio muy agradable y constructivo. Uno puede averiguar cuántos proyectos e ilusiones cruzaron la barrera que separa los sueños de la realidad, aprendiendo de los aciertos y también de los errores. Hace siglo y medio Barton Rogers fundaba el MIT con la idea de crear un entorno donde por primera vez pudiesen convivir en armonía la ciencia y la tecnología. A través de «Inventar el futuro» hemos tenido ocasión de comprobar que sus sueños se han cumplido con creces. Emplazamos ahora al lector a releer los capítulos de esta serie de vez en cuando. Podrá así comprobar cuántas de las investigaciones y desarrollos aquí descritos han conseguido superar esa compleja barrera, la que separa el laboratorio del mercado, si todavía no lo han hecho aún. Queremos aprovechar también estas líneas para agradecer a todos aquellos que nos han acompañado durante el viaje. Esperamos que hayan disfrutado del mismo. ¡Nos vemos en el futuro!