“Nanociencias y alternativas energéticas” por Fernando Briones

CIC Network

Fernando Briones 2

Este texto de Fernando Briones apareció originalmente en el número 5 de la revista CIC Network (2009) y lo reproducimos en su integridad por su interés.

Prometeo pagó bien caro el regalo que hizo al Hombre, el fuego. Como arma y herramienta potentísima, el dominio del fuego permitió la supervivencia y expansión de la especie. A lo largo de los últimos dos siglos, los avances de la tecnología y la disponibilidad del gran capital energético aportado por los combustibles fósiles, carbón, petróleo y gas natural, han propiciado el éxito de la revolución industrial y una gran prosperidad económica que finalmente ha desembocado en la sociedad de consumo actual. Ahora, al comienzo de este nuevo siglo, nos estamos dando cuenta de que, de seguir quemando ese capital, lo vamos a pagar también muy caro. La edad del fuego tiene que llegar a su fi n si aspiramos a un futuro sostenible, no sólo para una minoría de privilegiados, sino, como es de justicia, para toda la humanidad.

En este siglo tendremos necesariamente que recurrir a nuevas opciones y tecnologías energéticas. Ahora bien, éstas van a propiciar también, con seguridad, una evolución hacia nuevos modelos económicos y sociales. Lo que pretendo dejar claro, de entrada, es que no podemos esperar que la ciencia y la tecnología puedan, por si solas, solucionar problemas que, como el de la energía, no es solamente técnico. La sociedad dominante, la sociedad de consumo globalizada, tendrá que modificar también sus valores y modelos económicos insostenibles actuales.

La de la revolución industrial se ha caracterizado por su implantación en la macroescala. El desarrollo de máquinas, cada vez más poderosas, más grandes y más rápidas, y la construcción de grandes obras de ingeniería como presas, túneles, aeropuertos, carreteras y rascacielos, ha sido posible por la disponibilidad de energía y materiales baratos y abundantes. Sólo el imparable y rapidísimo desarrollo de la Microelectrónica ha ido introduciendo, a finales del siglo, una nueva cultura de la miniaturización debido fundamentalmente a la necesidad de concentrar un número cada vez más grande de componentes electrónicos, básicamente transistores, circuitos y elementos de memoria, en un espacio pequeño, compatible con el tamaño de un dispositivo que una persona (es decir, un consumidor) pueda tener en casa, manejar o llevar encima. Actualmente, cualquier PC, iPod o PlayStation contiene chips de silicio que incorporan miles de millones de transistores, cualquier teléfono móvil, cámara fotográfica o pantalla de ordenador o televisión contiene millones de componentes o píxeles miniaturizados y con un consumo de energía mínimizado.

Sin embargo, la industria microelectrónica está llegando ya a integrar dispositivos en la escala de los 10 nanómetros; está entrando en la era de la nanoelectrónica. Y resulta que, en la escala nanométrica, la materia se rige fundamentalmente por las leyes de la mecánica cuántica y es necesario cambiar, no sólo de procesos de fabricación, sino de física y de reglas de diseño.

En efecto, los dispositivos nanoelectrónicos no son solamente dispositivos muy pequeños; son ya dispositivos cuánticos. La nanoelectrónica se distingue precisamente de la microelectrónica por hacer uso de efectos mesoscópicos o de coherencia cuántica en estructuras de tamaño submicrométrico.

En realidad, hace ya tiempo que las tecnologías avanzadas de semiconductores habían entrado en la era nano. Dispositivos como son los diodos láser para comunicaciones por fibra óptica (Alferof, premio Nobel 2001), los transistores HEMT basados en las propiedades de un gas bidimensional de electrones (von Klitzig, premio Nobel 1998), las cabezas lectoras de disco duro basadas en válvulas de spin (Fert, premio Nobel 2007) y muchos otros menos conocidos, son nanodispositivos de uso ya generalizado.

El autor de este artículo trabaja desde hace más de 20 años en la producción de dispositivos optoelectrónicos mediante la técnica de Epitaxia de Haces Moleculares (MBE), la más versátil y avanzada a nivel mundial para la fabricación de nanoestructuras semiconductoras.

En una de las fotografías que ilustran este texto puede verse uno de los reactores MBE diseñados, construidos y en funcionamiento en nuestro laboratorio de NanoFabricación en el Instituto de Microelectrónica de Madrid del CSIC. Estas nanotecnologías de fabricación incluyen la llamada fabricación de abajo a arriba, es decir, el autoensamblado de nanoestructuras átomo a átomo, molécula a molécula. De estas posibilidades procede parte del entusiasmo actual por la nanotecnología: su dominio podría implicar la realización del ideal del industrial postmoderno, fabricar sin maquinaria y, mejor aún, sin obreros.

En algunos casos se intenta imitar a la naturaleza desarrollando procesos denominados bioinspirados en una etapa exploratoria y muy creativa de la investigación. Sin embargo, al nanotecnólogo que, como aprendiz de brujo, aspira a que la materia se autoensamble y autoorganice siguiendo su diseño, todavía le falta mucho para alcanzar este ideal. No en vano, la Vida es una maravillosa demostración del poder de una Nanotecnología natural desarrollada por la evolución a lo largo de miles de millones de años.

Todo el mundo está de acuerdo en que el nuevo siglo se va a caracterizar por un enorme desarrollo de la Ciencia y las Tecnologías de la Vida. Las Nanociencias y la Nanotecnología, aunque inicialmente impulsadas por la industria electrónica, van a ser herramientas fundamentales de este desarrollo de la Biología en cuanto que van a permitir observar y manipular la materia en la escala de las biomoléculas y, más aún, entender los mecanismos que controlan las funciones y actividad de las mismas.

Técnicas como la espectroscopía y Microscopía de Fuerzas Atómicas en líquidos, el uso de Quantum Dots o de nanopartículas magnéticas funcionalizadas como marcadores, las pinzas ópticas, las microscopías electrónicas de barrido, las técnicas de imagen y contraste por resonancia magnética, los biosensores y biochips basados en dispositivos nanomecánicos o magneto-ópticos se suman ya en nuestro entorno más próximo a la multitud de aplicaciones de la nanotecnología en biotecnología y biomedicina. Las nanociencias contribuyen asimismo al desarrollo de nuevas estrategias y dianas terapéuticas, al suministro guiado y selectivo de medicamentos y a desarrollar infinidad de nuevos biomateriales y andamiajes para el crecimiento de tejidos artificiales.

Consecuentemente, y a partir, como pistoletazo de salida, de la National Nanotechnology Initiative propiciada por B. Clinton en 2001, se han creado ya en todo el mundo centenares de centros de investigación en este campo, con un número de investigadores que puede cifrarse en cientos de miles y con un ritmo de crecimiento del orden del 20% anual en estos últimos años.

Sin embargo, el impacto de las Nanociencias y Nanotecnologías no se limitará a los campos apuntados, ya de por sí importantes. Su aportación al desarrollo de alternativas energéticas sostenibles, tema de este artículo, va a ser también muy importante y con ello facilitará indirectamente el cambio de modelo que nuestra sociedad necesita ya con urgencia.

Como hemos señalado, un 90% de la energía que consumimos procede de los combustibles fósiles. Pero la materia orgánica que dio origen al carbón y los hidrocarburos acumulados en sedimentos geológicos, en realidad ha sido fabricada por medio de la Nanotecnología natural desarrollada por la evolución.

Las bacterias primitivas y luego las algas verdes y la vegetación han sintetizado esa materia orgánica a partir fundamentalmente de procesos fotoquímicos posibles sólo en la nanoescala con el aporte de la energía de la luz solar. Estos afinadísimos procesos se basan en ingeniosas nanoarquitecturas moleculares o nanoantenas de clorofila, concentradoras y captadoras de los fotones solares: todo un proceso industrial miniaturizado en la escala cuántica en el interior de la célula. A pesar del reducido tamaño de ese nanoreactor, el impacto global de la fotosíntesis ha sido tal que ha sido capaz de generar la materia prima que alimenta a la mayor parte de la vida y, más aún, todo el oxígeno que respiramos. El proceso global es tan eficiente, que ese oxígeno que, por cierto también estamos quemando, dos átomos de oxígeno por cada átomo de carbono para formar CO2, es renovado cada 5.000 años aproximadamente.

Sin embargo, la fotosíntesis de las algas y de la vegetación sólo absorbe un 0,5 % de la energía de la radiación solar que llega a la superficie de los continentes y de los mares. La mayor parte es absorbida en forma de calor generando las precipitaciones, corrientes de agua y vientos que pueden aprovecharse como energías hidráulica y eólica.

En el fondo, todas las energías renovables (con excepción de la geotérmica) proceden de la energía del sol, un reactor natural de fusión nuclear con una potencia de 3,84 x 1017 GW (1GWes la potencia de una central nuclear grande) que funciona desde hace 4.500 millones de años y está a la distancia justa que hace posible la vida. La actividad humana actual sólo supone en total un aporte del 0.01% comparado con la energía solar recibida.

Las Nanociencias apoyarán fundamentalmente un modelo energético basado en “cosechadoras” artificiales de esa energía , artificios de alta tecnología que gracias a su gran rendimiento de captación, perturben mínimamente el medio natural y que, en todo caso, ayuden a remediar zonas desérticas o devastadas por agresiones humanas o industriales previas: concretamente, medios avanzados de captación, conversión, ahorro y recuperación de energía y mejoras y racionalización de las tecnologías de almacenamiento y distribución de la energía eléctrica o química que sean necesarias.

Las fuentes alternativas de energía como la eólica, hidráulica, mareas y oleaje, geotérmica y nuclear no se tratarán en este artículo, no porque no se consideren importantes, sino porque su desarrollo, basado en tecnologías de la macroescala, no implica una directa contribución de las nanociencias.

Se habla mucho de los biocombustibles y de su posible producción en gran escala mediante los avances biotecnológicos. Sin embargo, aunque tengan un importante papel transitoriamente, sobre todo en determinados países como Brasil, no los podemos considerar como una solución energética global y sostenible porque, aún mejorando mucho el rendimiento, se necesitaría una superficie cultivada equivalente a la que actualmente se destina a la producción de alimentos, sólo para mantener en marcha el parque automovilístico actual.

El poder calorífico de la radiación solar se ha venido aprovechando desde hace muchos años mediante tecnologías convencionales de la macroescala, como son los colectores térmicos planos para agua, los concentradores lineales cilindro parabólicos y recientemente los campos de heliostatos enfocados sobre torres captadoras para alimentar generadores de vapor, turbinas o máquinas térmicas de diverso tipo como aproximaciones de ingeniería y rendimientos aceptables.

La investigación actual en este campo considera opciones de tipo estado sólido que en principio deberían ser más eficientes y, por tanto, menos agresivas. Se investiga así en conversión termofotovoltaica en la que un emisor infrarrojo selectivo, calentado por la radiación solar fuertemente concentrada, emite fotones con una distribución espectral adaptada a una célula solar optimizada. Aunque teóricamente la eficiencia de este dispositivo puede ser muy elevada, no ha llegado de momento a resultados prometedores por diversas barreras técnicas aparecidas en la práctica.

Por otro lado, está cobrando interés la conversión termoeléctrica directa, precisamente por las posibilidades que ofrecen las Nanotecnologías para realizar superficies altamente selectivas basadas en cristales fotónicos, metamateriales y efectos plasmónicos. A un plazo no muy largo sería posible superar los modestos rendimientos actuales, del orden del 7%, para llegar, idealmente a un 20-30%. También se considera muy seriamente la conversión termoeléctrica a baja temperatura para aprovechar fuentes de calor como pueden ser gases de escape, superficies calientes de motores para reducir las pérdidas o incluso el calor corporal para alimentar electrónica de bajo consumo integrada en la ropa. La nanoestructuración por métodos electroquímicos de materiales con óptimos coeficientes de conversión termoeléctrica es una vía muy prometedora que precisamente está siguiendo, entre otros, uno de los grupos del IMM-CSIC con la ayuda de proyectos europeos.

Sin embargo, los dispositivos de estado sólido más prometedores a corto y medio plazo son las células solares fotovoltaicas. Se trata de dispositivos que convierten no el calor, sino directamente la energía del fotón luminoso, por un proceso puramente cuántico de generación de pares electrón hueco en un semiconductor, en energía eléctrica. El rendimiento práctico de conversión de la radiación solar en energía eléctrica mediante las actuales células comerciales de silicio oscila entre un 15% y un 20% según la tecnología elegida y el fabricante. Su coste energético, es decir el tiempo que deberían funcionar para devolver la energía empleada en la fabricación de un módulo completo, oscila entre 1,5 y 3,5 años y su tiempo de vida útil garantizado oscila entre 25 y 40 años. Se calcula que con cubrir sólo el 1% de la superficie desértica continental con paneles solares con un rendimiento promedio de sólo un 10% se podrían obtener directamente los 15 TW de energía eléctrica necesaria para cubrir la demanda global estimada para el año 2050. Sin embargo, y a pesar del rápido crecimiento de las inversiones y expectativas en la industria fotovoltaica, su coste todavía es poco competitivo en relación al de las fuentes convencionales y es necesario investigar cómo aumentar significativamente el rendimiento o, alternativamente, reducir significativamente los costes de producción.

La primera opción se basa en la adaptación al mercado terrestre de las células de alta tecnología, que se han ido desarrollando desde hace ya años para suministrar energía en el espacio a los satélites de comunicaciones y estaciones espaciales. En estos momentos, el rendimiento demostrado en el laboratorio para células monolíticas multiunión, fabricadas por epitaxia de semiconductores GaInP/GaAs/GaInAs/Ge ha alcanzado ya el 40,7% en el Center for Revolutionary Energy Conversion, NREL, de EE.UU. y el 41,1% en el Instituto Fraunhofer de Energías Renovables de Alemania.

Estas células funcionan óptimamente con concentraciones del orden de 500 soles por lo que el alto coste de los materiales y fabricación queda más que compensado por el pequeño tamaño de los chips (2,5 x 2,5 mm). Su gran eficiencia reduce asimismo notablemente el coste de instalación, sistemas de seguimiento, concentración óptica y mantenimiento que, en última instancia, definen la viabilidad económica de cualquier opción energética.

Pero la carrera no ha hecho más que empezar. En el laboratorio del autor en el IMM-CSIC, con experiencia de ya muchos años en la fabricación por epitaxia de estos dispositivos semiconductores, trabajamos en colaboración con el IES de la UPM (Proyectos Genesis-fv consolider 2010 y Numancia-CAM) en la introducción de nanoestructuras autoensambladas epitaxiales como son los Quantum Dots y de nanoestructuras fotónicas, en la zona activa de estas células, con el objetivo de poder alcanzar rendimientos en la práctica superiores al 50%. Téngase en cuenta que el límite teórico es del 65% en este tipo de materiales y estructuras. Si, como ha demostrado la ley de Moore de la industria microelectrónica, el desarrollo en gran escala del mercado permite una sustancial reducción de costes aumentando al mismo tiempo las prestaciones, esta opción puede ser pronto muy efectiva para la generación eléctrica de tipo industrial conectada a la red, particularmente en áreas desérticas con fuerte irradiación solar directa del sur de la península.

Especialmente interesante en áreas geográficas con nubosidad variable, es la segunda opción: Utilizar células de bajo coste que mantengan un rendimiento mínimo entre el 10 y el 20%. Para ello, son ideales las tecnologías de película delgada , de materiales como el silicio nanocristalino o amorfo o calcogenuros como el CuInGaSe, depositadas sobre sustratos de vidrio arquitectónico o de ventana y las células orgánicas sobre sustratos plásticos flexibles. Alemania es el país que más se ha decantado por estas tecnologías con una ya muy fuerte implantación. La investigación de nanoestructuras, se centra en la integración semiconductoras como Quantum Dots o nanohilos sintetizados por vía química junto a diversos conductores orgánicos. Se ha trabajado mucho en combinaciones de moléculas orgánicas donadoras de electrones como los politiofenos, los polifluorenos y los policarbazoles y nanoaceptores como los fullerenos, pero aún queda mucho por hacer, sobre todo en cuanto a mejorar la estabilidad de los materiales a largo plazo. Muy recientemente, se ha propuesto aprovechar interesantes efectos de plasmones y del campo cercano generado por nanopartículas metálicas próximas a la superficie para aumentar significativamente el rendimiento y acaba de crearse una empresa dispuesta a comercializar rápidamente estas células. Precisamente, una característica específica del desarrollo de las Nanociencias y Nanotecnologías, es la escasa distancia que separa los descubrimientos científicos básicos en laboratorios universitarios, del desarrollo inmediato de productos en empresas competitivas fuertemente ligadas al entorno académico; y no solo en el campo de la biotecnología.

Otro campo en que la Nanotecnología está demostrando enormes posibilidades es en el del almacenamiento de energía eléctrica. Es obvia la necesidad de disponer de baterías ligeras, potentes, económicas, fiables y reciclables para que la opción del automóvil eléctrico sea una realidad en el próximo futuro. Por otra parte, se es consciente de que es necesario disponer de sistemas de acumulación masivos integrados en la red eléctrica para amortiguar los picos y valles del suministro discontinuo característico de las energías renovables. Existen ya soluciones en la macroescala, demostradamente eficaces y económicas, como es el bombeo/generación reversibles en centrales hidroeléctricas (empleada ya para acomodar la producción constante de centrales nucleares a la demanda irregular del consumo eléctrico) pero ya se prevé que, precisamente la existencia futura de un parque de millones de automóviles eléctricos, con una capacidad de acumulación individual del orden de los 100 kW.h va a suponer una oportunidad para definir un sistema de acumulación distribuido en la red con una capacidad enorme y sin coste suplementario alguno.

El interés de estas opciones, sumado a la necesidad de optimizar baterías para la industria de la electrónica de consumo, ha motivado el que los desarrollos de los últimos años hayan sido ya espectaculares. Las ventajas de aplicar la nanoescala en electroquímica se han demostrado en el caso de las baterías más avanzadas actualmente, las de iones de litio o LFP. Así, la reducción del tamaño de las partículas de LiFePO4 que constituyen el cátodo hasta unos 30 nm y su recubrimiento con carbono conductor mejora enormemente su capacidad (hasta 170A.h/kg), su potencia pico y la estabilidad frente a múltiples ciclos de carga descarga. El hecho de que las materias primas de estas baterías sean abundantes y no contaminantes, junto a las excepcionales prestaciones ya alcanzadas, muy superiores a las de las actuales baterías de NiCd, hace que se esté librando en estos momentos una furibunda guerra de patentes con el consiguiente retraso en la adopción de estas tecnologías por las grandes compañías automovilísticas. La nanoestructuración es también fundamental para el desarrollo de supercondensadores, otro componente básico para aportar los picos de corriente necesarios en los motores eléctricos de los automóviles. Los últimos desarrollos en este campo alcanzan ya capacidades específicas del orden de 500F/g con un coste moderado y no hay duda de que pronto llegarán al mercado.

La tecnología de las celdas electroquímicas o células de combustible es muy atractiva, tanto para automóviles eléctricos como para generadores estacionarios, por su gran eficiencia energética, del orden del 50-60%, comparada con la de los motores de combustión interna, un 35%. Estas celdas pueden funcionar con metanol y mejor aún con hidrógeno, cuya combustión sería absolutamente limpia, al dar agua como único residuo.

Sin embargo, tienen problemas muy importantes que limitan su generalización. El principal es el alto coste e insuficiente disponibilidad de los catalizadores necesarios, platino o platino/rutenio. Las nanociencias están implicadas en la investigación de catalizadores alternativos y arquitecturas de los materiales nanoporosos de soporte. Por otro lado, está por ver si es factible la producción, almacenamiento, transporte y distribución en gran escala del hidrógeno. En contraposición, los avances en los materiales superconductores de alta temperatura crítica y en la fabricación de cables superconductores para el transporte a alta tensión de energía eléctrica sin pérdidas, permiten diseñar ya redes eléctricas de distribución en una escala hasta ahora insospechada.

A mayor plazo aún se considera interesante una opción en principio muy atractiva en la que el papel de las nanociencias es fundamental: la descomposición fotocatalítica del agua para dar H2 y Oxígeno. Se trata de una especie de fotosíntesis artificial, utilizando óxidos fotocatalizadores nanoestructurados del tipo TiO2N. Sin embargo, también aquí habrá que esperar algo más hasta que aparezcan avances revolucionarios para poder obtener resultados realmente prometedores.

En resumen, la oportuna expansión de la investigación en nanociencias y nanotecnologías va contribuir enormemente al desarrollo de nuevas opciones para la captación, almacenamiento, ahorro y distribución de energía. En principio, son compatibles con su implantación progresiva en gran escala, tanto en nuestro entorno directo como en los nuevos países en desarrollo, e implican una mayor racionalidad a la hora de atender una necesidad generalizada de energía y reducir al mínimo su previsible impacto ambiental. Algunas de estas opciones ya están muy avanzadas y su aplicación global depende ahora fundamentalmente de factores económicos, sociales y políticos muy ajenos a la ciencia y la tecnología.

Fernando Briones

Fernando Briones Fernández-Pola. Profesor de Investigación del CSIC, dirige el Grupo MBE del IMM-CNM de investigación en Nanociencias y Nanotecnología en semiconductores. Es Chairman de la red Nanospain, miembro del Alto Consejo Consultivo de I+D de la Generalidad Valenciana y del Comité Asesor de Instalaciones Científicas Singulares (CAIS) del Plan Nacional de I+D. Es Académico Numerario de la Real Academia de Ciencias. En 2005 obtuvo el Premio Jaime I en Nuevas Tecnologías.

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por CIC Network

1 comentario

  • Avatar de Juan Ituarte

    Obviamente este artículo no ha pasado por un filtro entre pares, por ejemplo el de su compañero en el CSIC Antonio Maria Turiel…
    Duele ver escrito que las células fotovoltáicas tengan TREs de 16 (devolución de energía necesaria en el proceso, entre vida útil del ingenio)… No se sostiene de ninguna forma.
    La apelación a la nanotecnología, especialmente cuando nos pones los ejemplos de i phone o el ordenador, nos enfrenta con la tozuda realidad energética: ese i phone, smart phone, o con lo que sea que estás leyendo mi mensaje, consume en Kwh/año más que un frigorífico de triple A…
    Ah, ¡que se llama paradoja de Jevons…!
    Gracias de todas formas: siempre digo que es mucho más fácil criticar sobre lo escrito que escribir.
    Saludos,
    Juan

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