Nanotecnología y conversión energética: Retos y oportunidades

NANOTECNOLOGÍA Y CONVERSIÓN
ENERGÉTICA:
RETOS Y OPORTUNIDADES
ESPECIALIDAD: INGENIERÍA MECÁNICA
Víctor Manuel Castaño Meneses
Ingeniero Físico y Doctor en Ciencias
3 de noviembre de 2011
México, D.F.

Nanotecnología y Conversión Energética: retos y oportunidades.
CONTENIDO
Resumen... ........................................ . ...... . ...................... .... ...................... 3
Introducción ........... . ........................ . ......... . ............... . .............................. 5
Energía: el futuro nos ha alcanzado ........ . ..... ... .......................... . ...... 8
La era del Hidrógeno .............. .. ................... . .................... .... ............... 13
S. La Nanotecnología: una perspectiva desde la Ingeniería..........16
Nanotecnología y energía ..................... . ..... . ............................ . .... . ... ..19
Conclusiones ..... . ....... ... ............ . ............. . .............. ... .............. . ........ . .... ..27
Bibliografía... ...... . ....... . .......................... . ..... . ..... ... . ....... . ............. . ........... 29
Referencias .... . .......................... . ... . ...................................... . ... .... .......... 37
Especialidad: Ingeniería Mecónica 2

Nanotecnología y Conversión Energética: retos y oportunidades. -
1. RESUMEN.
La energía representa no sólo una de las necesidades básicas para la
supervivencia de la especie humana, sino una de las actividades
científicas, económicas, sociales y políticas más importantes de la
sociedad contemporánea, con un impacto cotidiano tal, que el acceso
a la energía se ha convertido en uno de los indicadores de desarrollo
claves para entender el presente y el futuro de un país. De hecho, la
práctica moderna de la Ingeniería se puede concebir como el uso,
basado en los más avanzados principios científicos y profesionales,
eficiente y adecuado de la energía, entendiendo esta tanto como un
componente primario de la profesión, así como la fuente primigenia
de los materiales, dipositivos, recursos y demás implementos con los
que un ingeniero del siglo XXI realiza su labor del día con día.
Por otro lado, las dos décadas inmediatamente anteriores han
marcado el inicio de una revolución tecnológica de alcance global,
comparable sólo con los grandes cambios paradigmáticos de la
historia de la ciencia y la técnica, como lo fueron la Revolución
Industrial, la Mecánica Cuántica, la Microelectrónica y la
Biotecnología: la Nanotecnología, que representa tanto un enorme
reto como una oportunidad única para la Ingeniería Mexicana.
En este contexto general, se ofrece en este trabajo, en primer
término, una revisión crítica y prospectiva de la situación energética
internacional, recalcando el caso de México, para después analizar
someramente los principios básicos de la Nanotecnología y sus
aplicaciones, presentes y futuras, a tecnologías relacionadas con la
energía en sus diferentes aspectos. Finalmente, se plantean una serie
de reflexiones sobre las oportunidades que la conversión energética,
Especialidad: Ingeniería Mecánica 3

basada en principios nanotecnológicos, ofrece a los ingenieros
mexicanos del siglo XXI.
LIVI

2. INTRODUCCIÓN.
Cada día es más frecuente el discutir, en todo tipo de foros, tanto
tecnológicos como sociales, sobre la disminución de las reservas de
combustibles fósiles y el daño irreparable al medio ambiente, como
producto de su combustion, a través de la producción de gases de
efecto invernadero. La precocupación es tal que organismos
internacionales tan importantes como la Agencia Internacional de
Energía (AlE o lEA, por sus siglas en inglés), han planteado que una
revolución energética, basada en el uso generalizado de tecnologías
que lleven a la baja emisión de carbón, resulta ya imperativa para
lidiar con los evidentes efectos del cambio climático.
De acuerdo con bases de datos especializadas, las emisiones de CO 2
crecerán hasta 2030 un 65% respecto al año 2002, lo que implica un
crecimiento superior al de la demanda de energía en este mismo
periodo, que sería del 60% (19-23, 73-92). El mayor crecimiento de
emisiones de CO 2 se debe fundamentalmente al consumo de
combustibles fósiles en países en vías de desarrollo.
En el año 2000, todas las energías renovables juntas aportaron sólo
el 13.8% del suministro de energía del mundo. Esto incluye el 2.3%
de hidroenergía, el ll% de combustibles renovables y residuos, y el
0.5% de "otros", en particular la geotérmica, la solar, la eólica, etc.
Para el 2010 se esperaba una reducción en la aportación de todas las
renovables al 12.9% y, para el 2020, a un 12.3% del total del
consumo energético. Por otro lado, de acuerdo con datos de la AlE
se prevé que el consumo total de energía crezca en un 20% en 2020.
La producción de CO 2 crecerá en un 14%, a menos que nuevas
medidas políticas se apliquen de manera efectiva. Debido al Acuerdo
de Kyoto, la UE (Unión Europea) debe reducir la producción de CO 2
en un 8%, respecto a 1990. Los países de la UE están comprometidos

a aumentar la proporción de energías renovables en el suministro
total de energía del 6.12% actual y mejorar la eficiencia energética.
La seguridad energética es también motivo para algunos gobiernos
para invertir en fuentes alternatias de energía. Este concepto de
seguridad energética significa que los gobiernos deben reducir la
dependencia de una fuente única de energía, como el petróleo, ya
que la oferta puede verse, en cualquier momento, amenazada por los
conflictos en regiones estratégicas, como el Oriente Medio, lo que
llevaría a inestabilidades internas en las naciones.
Si todas las medidas de los gobiernos de los países líderes están
considerando en este momento se llegan a ejecutar, la AlE prevé que
las energías renovables podrían llegar a constituir la mayor parte del
suministro de energía mundial.
Sin embargo, y a pesar de su carácter internacionalista e innovador,
la AJE no parece tener en cuenta a la innovación tecnológica como
motor primario para la generación fuentes de energía renovables,
más allá de las previsiones de reducción de costos en algunas
tecnologías de energía removable, y se circunscribe a la generación
de políticas públicas como el generador real del cambio energético en
el Orbe.
En contraste, y aunque pudiese parecer sorprendente, la influyente
empresa Shell, en un importante documento titulado "Necesidades de
energía; opciones y posibilidades; escenarios para 2050" publicado
este año de 2011, considera que los avances potenciales en energía
solar fotovoltaica o de hidrógeno en las próximas décadas, seran
determinantes para el Mercado de energía del Mundo. Se menciona
explícitamente, en ese documento, la nanotecnología, a través del
uso de los nanotubos de carbon y de otros materiales. En un primer
EspeciaHdad: Ingeniería Mecánica 6

escenario, donde la dinámica mundial se mantendría como hasta el
momento, se prevé que la participación de las energías renovables
aumentará rápidamente hasta 2020, seguida de un estancamiento y
de una nueva generación de las energías renovables a partir de 2030.
La cuota de las energías renovables, que no sean los
biocombustibles, podría representar un 22% de la producción de
energía primaria en el 2050. El otro escenario, de verdadera
innovación energética, describe el surgimiento de una economía del
hidrógeno, basada fundamentalmente en los avances tecnológicos,
incluídos los nanotubos de carbono y las nanofibras.

3. ENERGÍA: EL FUTURO NOS HA ALCANZADO.
De acuerdo con la OCDE, uno de los elementos macroeconómicos que
permiten valorar el desarrollo de un país es el, uso de energía per
cápita. La Figura 1 muestra cómo el IDH (Indice de Desarrollo
Humano) tiene una clara correlación con la demanda primaria de
energía por habitante, tanto para países miembros de la OCDE como
para aquellos que no pertenecen a esta influyente organización
global.
La relacion entre el uso de energia per capita y el
I Indice de Desarrollo Humano
1,0
0.8
0.6
=
04
0.2
0,0
• .1 + 4 •
- .w S
• u.
u •
OECD
H NonOECD
0 2 4 6 8 10 12 14
Demanda pnmaria de energía pr capa tC.e'C.9pí
/
Existe una fuerte relación entre el uso de energía per cápita y el
índice de desarrollo humano - particularmente para los países
menos desarrollados
Figura 1. Índice de Desarrollo Humano vs. Energía per cápita en el Mundo
Esto conduce a una creciente demanda de energía en todos los
países, lo que llevaría, de acuerdo a organizaciones como la World
Energy Outlook, a un escenario terrible de disparidad energética, lo
que aumentaría, aún más, la becha entre países desarrollados y no
desarrollados. La Figura 2, por ejemplo, muestra que, para el año
2030, países como Rusia tendrán un factor de 7 veces más consumo
energético que el Africa Sub-Sahariana.

4
Figura 2. Expectativas de demanda primaria de energía para el año 2030
La situación, sin embargo es preocupante ya en este 2011, sin
necesidad de esperar al 2030. La Figura 3, por ejemplo, muestra la
distribución mundial de personas que NO tenían acceso a energía en
el 2008 y lo que se espera en el 2030. Como se puede observar en
esa figura, en la actualidad se calcula que, alrededor de 1,500
millones de personas no tienen el beneficio de la energía en sus vidas
cotidianas y que, dentro de 20 años, si no se tiene una verdadera
revolución energética, esa cantidad habrá disminuído solamente a 1,
300 millones. Lo peor es que, a pesar de que se pueda llagar a
presumir una disminución global, por pequeña que esta sea, en
algunas regiones del planeta, como Africa, el número de personas sin
energía habrá pasado de 587 millones a casi 700 millones en el 2030.

Número de personas sin acceso a electricidad
2008-2030 (millones)
China y Asia del esto
Norte de Africa Este medio Sur de Asi
91
17 i15 214
Africa SubSahariana
SS? 1 'Ii
Arnetica 1.0111 1 1
Poblacion mundial sin acceso a
e ecli 1 cidad
2008 1.5 billones de personas
2 200 2030 2030: 1.3 billones de personas
Las fronteras y unciEres mostrados y la des;gnac:on u53d3 frfl les fi t1S incluidos en esta putlic3Cicei ro r uc a una aprobación oficial 5* la En
Figura 3. Distribución de personas sin acceso a energía, en el 2008 y en el
2030
Por si fuera poco, la crisis energética también tiene un aspecto
terrible de inequidad de género. En efecto, existen todavía hoy en día
muchos países donde las encargadas de recolectar las únicas fuentes
de energía de las comunidades (leña, estiércol, ramas, etc.) son las
mujeres, sobre quienes, entonces, recaen directamente las
consecuencias del atraso energético de una nación. En casos, como
el de Tanzania, como se puede apreciar en la Figura 4, hay extensas
regiones de ese país africano donde las mujeres deben recorrer,
diariamente, ms de 6 km para asegurar la supervivencia de sus
familias, ya que sin la leña que recolectan, les sería imposible cocinar
o calentarse.

Energía, Pobreza y Mujeres:
Distancia recorrida para recoger leña.
1,011
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1. 2.9
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2.8 Ln,di
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ZAMBIA
Figura 4. Distancia promedio que recorren las
mujeres de Tanzania para recoger leña
Cuando se habla de sufiencia energética, sin embargo, es menester
clarificar el nivel de desarrollo tecnológico del que se está hablando,
pues no es lo mismo proveer energía suficiente para cocinar con leña,
que el asegurar el suministro energético de industrias aeroespaciales
o farmacéuticas, por citar dos ejemplos de industrias que se
consideran avanzadas. Además, la situación socioeconómica del
sector de la población al que se dirige la sufiencia energética es
determinante. La Figura 5, resume la relación entre la complejidad
tecnológica del suministro de energía y los ingresos que cada sector
poblacional puede aportar.

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Pasos para el desarrollo de [
Energía
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Calehcc on (
Bajo Ingresos Alto
Figura S. Nivel de servicio energético vs. ingresos de la población

4. LA ERA DEL HIDRÓGENO.
Las propiedades físicas y químicas del hidrógeno han motivado, desde
hace muchos años, el desarrollo de numerosas aplicaciones
industriales, por lo que este elemento químico no es, en lo absoluto,
ajeno a la práctica de la Ingeniería. Una de las primeras aplicaciones
de las tecnologías asociadas al Hidrógeno fue la navegación aérea,
ya que se empleaba en los globos aerostáticos, aprovechando así su
atractiva fuerza de ascension, gracias a su baja densidad. Sin
embargo, los pioneros de la aeronáutica, los hermanos Montgolfier,
sustituyeron el H 2 por aire caliente, ya que el hidrógeno se perdía
rápidamente por las paredes de las primeras naves.
La invención de la celda de combustible por William Robert Grove en
1839, abrió nuevas posibilidades para el hidrógeno. La primera celda
contenía electrodos de platino y utilizaba ácido sulfúrico como
electrolito, con hidrógeno y oxígeno como combustibles, para
producir electricidad y agua. Sin embargo, dado el nivel de la
Ingeniería de la época, las complejidades técnicas de los dispositivos
asociados, limitaron el interés práctico por esta tecnología.
En 1953, Francis Thomas Bacon, construyó un prototipo de celda de
combustible utilizando hidrógeno y oxígeno con un electrolito alcalino,
en lugar de electrolitos ácidos, y electrodos de níquel, más baratos
que los de platino, diseño que fue la base para las celdas de
combustible utilizadas con éxito en los programas aeroespaciales
Geminis y Apolo.
Las primeras aplicaciones de tecnologías asociadas al hidrógeno en
vehículos automotores fueron realizadas en los Estados Unidos donde
se contruyeron, con el apoyo de pilas alcalinas, un tractor con una
celda de combustible de 15 kW y un automóvil que usaba una celda

de 6 kW como complemento a un sistema de propulsión eléctrico,
alcanzando una autonomía de cerca de 300 km.
La crisis del petróleo de 1973, la necesidad de buscar fuentes
alternativas de energía y la creciente preocupación por proteger el
medio ambiente, impulsaron las investigaciones para desarrollar
mejores componentes de las celdas de combustible, como son los
electrodos, los electrolitos, y los sistemas periféricos, tales como
compresores, intercambiadores y los sistemas para almacenar
hidrógeno de manera segura y eficiente. Esta crisis mundial genera
el concepto de "Economía del Hidrógeno" en distintos foros
internacionales donde se analizó cuáles serían los nuevos esquemas
para la producción y distribución de energía en el siglo XXI.
Se formuló entonces un escenario energético en el que el hidrógeno
se utilizaría para reemplazar a los combustibles fósiles, lo que
requiere contar con la capacidad para producirlo en las cantidades
requeridas, el disponer de infraestructura para transportarlo hasta los
puntos de consumo y el desarrollar las tecnologías necesarias para su
uso, tanto industrial como habitacional. El objetivo principal de esta
"Era del Hidrógeno" en la que ya nos hallamos inmersos, es el reducir
las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes,
asociadas a las fuentes primarias actuales, además de contribuir a
una mejor utilización de los recursos naturales disponibles
localmente, diversificando las fuentes y reduciendo la dependencia
exterior, todo lo cual conlleva, necesariamente, el desarrollo de una
Ingeniería adecuada a estas nuevas necesidades.
En los años próximos, Europa fomentará la adopción del hidrógeno en
los sistemas de transporte a lo largo de varias líneas, tal como el
proyecto CUTE, donde autobuses prototipo impulsados por hidrógeno,
se utilizarán en nueve ciudades europeas. Islandia tiene el objetivo

de crear una sociedad del hidrógeno en la isla, incluyendo los
autobuses propulsados por hidrógeno, una red de estaciones de
combustible de hidrógeno para los vehículos particulares, y el
desarrollo de barcos de hidrógeno.

S. NANOTECNOLOGÍA: UNA PERSPECTIVA DESDE LA
INGENIERÍA.
La Nanotecnología representa, hoy en día, no solamente una de las
ramas científicas más activas y relevantes, sino una verdadera
esperanza para la Humanidad de poder resolver, de una vez por
todas, varios problemas centenarios, e incluso milenarios.
En términos muy generales, la Nanotecnología consiste en realizar
Ingeniería, es decir, aplicar prácticamente, los principios básicos de la
Física, la Química y la Biología, al tamaño mínimo en el que los
materiales conservan su identidad tales como: el nanómetro. Esta
unidad dimensional, igual a iO m, representa la unidad mínima de
materia en la que un ingeniero puede aplicar su especialidad, desde
mecánica hasta electrónica, pasando, inclusive, por civil, ya que
muchos materiales arcillosos son, en realidad, nanoestructuras.
El poder de manipular átomos, moléculas a escala nanométrica y
arreglarlos de la forma que deseemos puede facilitar la creación de
estructuras complejas "al precio de los vegetales", como es el lema
de los nanotecnólogos.
Se ha encontrado, y este es uno de los grandes atractivos de la
nanotecnología, que las propiedades ópticas, electrónicas,
magnéticas y térmicas de las nanopartículas dependen del tamaño,
forma, composición, distancia inter-partícula, y el ambiente que las
rodea.
Como un ejemplo de esto, considérese el caso de un cubo de oro
puro de 1 cm x 1 cm x 1 cm, como se muestra esquemáticamente en
la Figura 6a. La masa de ese cubo es, de acuerdo con la Tabla

Periódica de los Elementos, de 19.3 g y el área superficial
correspondiente es de 6 cm 2 .
b -
Figura 6a Cubo de oro de 1 cm 3 : nanocubos de oro de 1000 nm 3
Si ahora se divide el cubo en nanocubos de 10 nm x 10 nm x 10 nm
(Figura 6b), se tendrá, por supuesto, la masa original, el mismo
volumen, pero el área superficial será de 6,000,000 cm 2, ya que cada
nanocubo tiene un área superficial de 600 nm 2 y, como se puede
comprobar con un sencillo cálculo, se tienen 1 x 1018 nanocubos, por
lo que 600 x 108 nm 2 es igual a 6,000,000 cm 2, como se mencionó
anteriormente.
Entre las propiedades de un material que se ven afectadas a una
escala nanométrica, se pueden mencionar las siguientes:
• Reactividad química
• Temperatura de fusión menor
• Parámetros de red cristalina menores
• No. de átomos superficiales mayor
• Mayor superficie efectiva de contacto
• Solubilidad mejorada y controlable

Efectos cuánticos
Propiedades ópticas novedosas

6. NANOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA.
Durante las últimas dos décadas, la ciencia básica y la ingeniería han
logrado desarrollos espectaculares e inéditos en el campo de la
energía mediante la aplicación de los conceptos y los métodos de la
nanotecnología que se han esbozado en el apartado anterior.
Un aspecto importante de la nanotecnología en su relación con la
energía, es la llamada "nanofabricación". En términos muy
simplificados, se llama nanofabricación al diseño y creación de
dispositivos a escala nanométrica. La posibilidad de fabricar
dispositivos de tamaños menores a 100 nanómetros abre enormes e
interesantísimas perspectivas para el desarrollo de nuevas
tecnologías que permitan generar, almacenar y transferir energía.
Expertos en nanociencia y nanoingeniería en todo el Mundo ya han
empezado a reportar el uso práctico de la nanotecnología para el
desarrollo de productos de consumo masivo. Por ejemplo, en un
hecho ya bien conocido en la literatura especializada que el uso de
componentes nanoestruturados redunda en una mayor eficiencia en
sistemas de iluminación y calefacción, permite aumentar la capacidad
de almacenamiento eléctrico y lleva a una disminución de la
contaminación por el uso de la energía.
En los años recientes se han creado muchas empresas visionarias,
como BetaBatt, Inc. y Oxane Materials, sólo por mencionar dos de las
más famosas, cuya tecnología se centra en los nanomateriales como
una forma de mejorar los métodos ya conocidos para la generación,
transferencia y almacenamiento de energía. Por ejemplo, un
polímero comercial nanoestructurado, Conserv, desarrollado por Dais
Analytic, permite aumentar la eficiencia de los sistemas de
calefacción y refrigeración, y ya ha demostrado ser una tecnología no

sólo práctica, sino incluso lucrativa. Las membranas que se fabrican
con este nanopolímero permiten que, de manera selectiva, la
humedad pase a través de la membrana, sin que el aire lo haga, lo
que redunda en mayor eficiencia, menor consumo y menor costo de
mantenimiento.
En iluminación, una de las alternativas más importantes, que la
Secretaría de Energía de nuestro país ha impulsado, es la tecnología
de los LED (Light Emiting Diodes). Si bien es cierto que los LED han
estado disponibles comercialmente por décadas, varias empresas en
los EUA y en Europa han desarrollado una variante especial, llamada
el LED blanco. Los LED blancos están formados por películas delgadas
de materiales orgánicos, de 100 nanómetros de espesor, colocados
entre dos electrodos, creando así un ánodo y un cátodo. Cuando se
aplica voltaje al sistema, se genera luz blanca a partir del fenómeno
conocido como electroluminiscencia. Lo revolucionario de esta
nanotecnología es que el uso de semiconductores orgánicos requiere
una cantidad mínima de energía necesaria para generar luz, del
orden del 10% de lo que requiere un foco incandescente actual.
Uno de los campos de investigación más activos en los últimos cien
años es el de las baterías, ya que un reto, posiblemente mayor que
los de generar o transportar energía, es el de almacenarla. Una
compañía norteamericana, en colaboración con la Universidad de
Rutgers y con los Laboratorios BelI, ha utilizado nanomateriales para
controlar el grado de mojado de la superficie donde se encuentra el
líquido (electrolito) de la batería, lo que permite dispersar las gotas
sobre un área mayor y, por lo tanto, impedir reacciones indeseables
cuando la batería no está en operación, mediante la separación físico-
química, a voluntad, del electrolito en el ánodo y el cátodo.
Un problema muy serio con la generación de energía en la actualidad
Especialidad: Ingeniería Mecénica 20

Nanotecnología y Conversión Energética: retos y oportunidades,
es la baja de eficiencia por la generación de calor, como subproducto
del proceso mismo de generación. Un ejemplo típico es el del calor
generado por el motor de combustión interna, que lleva a perder,
aproximadamente, el 64% de la energía interna de la gasolina en
forma de calor. Sin embargo, se ha demostrado que es
extremadamente difícil el mejorar la eficiencia de estos motores sin
sacrificar su rendimiento. El mejorar la eficiencia de las celdas de
combustible a través del uso de la nanotecnología parece mucho más
plausible, mediante el uso de catalizadores molecularmente
diseñados, de las membranas de polímeros nanoestructurados y del
almacenamiento de combustible en materiales nanoporosos.
Para que una celda de combustible pueda operar eficientemente, se
requiere de un catalizador de un metal noble (generalmente platino,
que es extremadamente costoso), que permite separar los electrones
de los protones de los átomos de hidrógeno. Sin embargo, los
catalizadores de este tipo son extremadamente sensibles a
reacciones con monóxido de carbono. Para disminuir esto, se han
usado alcoholes u otros compuestos de hidrocarburos para reducir la
concentración de monóxido de carbono en el sistema. Esto añade, sin
embargo un costo adicional al dispositivo, que lo hace poco atractivo
comercialmente hablando. Utilizando la nanofabricación, se están
diseñando materiales más resistentes a las reacciones con monóxido
de carbono, lo que mejora la eficiencia del proceso y, además,
posibilita emplear materiales más baratos.
Las celdas de combustible que se encuentran en operación hoy en día
para usos en transporte, necesitan tener la capacidad de una rápida
puesta en marcha. Este proceso supone una gran exigencia a las
membranas tradicionales para electrolitos, que disminuye la vida útil
de la membrana, lo que obliga a su reemplazo frecuente. Mediante la
nanotecnología, es posible crear una membrana nanopolimérica

mucho más duradera y, además, con mayor conductividad iónica.
Esto mejora la eficiencia del sistema y reduce el tiempo entre
reemplazos, lo que redunda en reducción de costos.
Otro problema con las celdas de combustible actual es el
almacenamiento del combustible. En el caso de las celdas de
combustible de hidrógeno, el almacenamiento de H 2 en forma
gaseosa, en lugar de líquida, mejora la eficiencia en un 5%. Sin
embargo, los materiales comercialmente disponibles, presentan un
límite de almacenamiento de combustible, debido a su baja
resistencia mecánica y sus altos costos. El desarrollo reciente de
poliestireno nanoporoso (que es un material relativamente barato)
que, cuando es super-enfriado a alrededor de -196 °C, atrapa átomos
de hidrógeno y cuando se calienta, libera el hidrógeno para su uso,
permite prever un nuevo panorama en el uso comercial de celdas de
combustible de hidrógeno.
Un componente crucial de las computadoras son los condensadores o
capacitores. Un condensador es un dispositivo formado por un par de
electrodos separados por un aislante, de tal forma que cada uno
almacena una carga opuesta. Un condensador almacena carga
cuando se retira del circuito que está conectado. La carga se libera
cuando se conecta de nuevo en el circuito. Los condensadores tienen
la enorme ventaja, sobre las baterías, en que liberen su carga mucho
más rápida y eficientemente.
Los condensadores tradicionales están compuestos de placas
delgadas de metal separadas por un aislante eléctrico, que se apilan
o enrollan en una caja o contenedor. La nanotecnología, ha llevado a
crear "supercondensadores', que son condensadores que contienen
nanocomponentes. Esta disminución en el tamaño hace que sea
posible el desarrollo de circuitos electrónicos mucho más pequeños

Estos ultracondensadores también tendrían la capacidad para
complementar las baterías en los vehículos híbridos, proporcionando
una gran cantidad de energía durante la aceleración maxima, lo que
podría disminuir el tamaño y el peso de las grandes baterías que se
necesitan en los vehículos híbridos, así como el tener una carga
adicional de la batería.
El aerogel de carbón nanoporoso está siendo utilizado para
ultracondensadores. Estos aerogeles tienen un área superficial muy
grande y permiten alterar, casi a voluntad, varias propiedades
eléctricas gracias al cambio de diámetro y distribución de tamaño de
poro, aunado a la adición de los metales alcalinos nanométricos, para
controlar su conductividad.
Los nanotubos de carbón son, por supuesto, excelentes candidatos
para crear supercondensadores. Los nanotubos de carbono se crean
mediante evaporación de carbón, que se condensa en una superficie,
formando diferentes fases (nanotubos, fulerenos, grafenos, etc.).
Cuando el carbón se condensa en condiciones muy particulares, se
forma un tubo de tamaño nanométrico que tiene una gran area
superficial, lo que aumenta la cantidad de carga que se puede
almacenar. La baja confiabilidad y el alto costo de los nanotubos de
carbono es, sin embargo, una limitación sobre la que se está
trabajando.
En Corea se ha explorado la posibilidad de aumentar la capacidad de
los electrodos a través de la adición de átomos de flúor a las paredes
de los nanotubos de carbón, lo que ha permitido cambiar la
naturaleza química de los nanotubos, de nopolares a polares,
debido, seguramente, a la transferencia de carga desde el flúor,
creando efectos dipolo-dipolo a lo largo de las paredes de nanotubos
de carbono.

La producción de electricidad solar fotovoltaica es la tecnología más
evidente en la que los materiales nanoestructurados y la
nanotecnología están contribuyendo al desarrollo energético. En el
2011, el mercado mundial de paneles solares fotovoltaicos fue de
unos 400 MW por año. La energía solar fotovoltaica ya es
competitiva para la producción de electricidad para los hogares o
aldeas en áreas remotas que no cuentan con una conexión a la red
eléctrica. Los gobiernos de los EE.UU., Europa y Japón están
subsidiando tanto el desarrollo tecnológico como la instalación de
módulos fotovoltaicos en viviendas particulares, empresas e incluso
iglesias (en Alemania). Las tecnologías dominantes de este momento
se basan en silicio, ya sea mono o policristalino. Las celdas solares
se producen a partir de láminas delgadas de 0.2 a 0.3 mm de
espesor, que se cortan de bloques de silicio. El problema es que esta
tecnología utiliza una gran cantidad de material muy caro, como es el
silicio, y alrededor de la mitad se desperdicia en el proceso de corte
de las láminillas.
Películas delgadas nanoestructuradas que se encuentran actualmente
en el mercado utilizan una capa activa de unas micras de espesor,
depositadas sobre un sustrato barato, como el vidrio. Estas
alternativas incluyen el silicio amorfo, que es conocido por su uso en
las calculadoras de bolsillo, pero que también se utiliza en los paneles
solares, ya de manera comercial por cerca de 15 años. El silicio
amorfo es más barato que el silicio cristalino, ya que utiliza
materiales 300 veces menos activos. La eficiencia, empero, es mucho
menor, menos del 10% frente al 15% del silicio cristalino.
Uno de los problemas con la energía solar fotovoltaica de películas
delgadas de tamaños nanométricos es que la conversión de energía
es mucho menos eficiente que en el silicio cristalino. Según un

portavoz de BP Solar, el principal cuello de botella en la fabricación
de películas delgadas fotovoltaicas es que nadie puede producir
grandes áreas de las películas delgadas a escala industrial.
Alternativas muy atractivas incluyen las celdas fotovoltáicas
orgánicas Grtzel, inventadas en 1991 por el Prof. Michael Grtzel
(EPFL, Suiza). Las celdas Grtzel consisten en una película delgada de
10pm de dióxido de titanio (Ti0 2) formada por nanopartículas de 20
nm de diámetro. Moléculas de colorante orgánico se adsorben en los
poros de las partículas de Ti02, rodeadas de un electrolito. La celda
se completa con dos electrodos transparentes y un catalizador. La
eficiencia de las celdas de Grtzel es mucho menor que la de silicio
cristalino comercial (alrededor de 7.8 v/o en lugar de alrededor del
15%). La UE ha organizado un importante proyecto, Nanomax, que
tiene como objetivo mejorar este rendimiento al 15%.
El hidrógeno, del que ya se ha hablado en un apartado anterior de
este documento, puede almacenarse en diferentes tipos de
materiales, en forma gaseosa, líquida o, más recientemente, en
forma sólida, en hidruros metálicos nanoestructurados, nanotubos de
carbono, nano-magnesio, nanocompuestos metal-hidruro de carbón,
hidruros nanochemical y alanatos. Con estas ideas, en el Instituto
Fraunhofer de Energía Solar en Friburgo, Alemania, se ha
desarrollado un dispositivo de almacenamiento de hidrógeno para
celdas de combustible, que es lo suficientemente pequeño como para
integrarse en una cámara de vídeo digital portátil.
La nanotecnología también puede contribuir a la mejora de las
fuentes convencionales de energía como el carbón, el petróleo, el gas
y la energía nuclear y electricidad. Para comenzar, con la electricidad,
la producción de carbón o gas natural puede ser más eficiente
mediante el uso de la nanotecnología en las plantas de turbinas. En
Especialidad: Ingeniería Mecónica 25

materia de energía nuclear, la nanotecnología puede ayudar a
mejorar la resistencia a la radiación de los materiales.
Hay muchas formas de energía primaria, incluidos los combustibles
fósiles como el petróleo y el gas, la biomasa, la energía nuclear y las
energías renovables como el viento, el sol y la hidroenergía. Estas
fuentes de energía primaria deben ser transformada en calor,
electricidad o energía mecánica (movimiento, presión, etc). Para
algunas de estas transformaciones de la energía, no hay ninguna
solución eficaz eficiente o bien el costo las hace prohibitivas. Y para
algunas de estas necesidades se están desarrollando nuevos
materiales nanoestructurados o con nanocomponentes.
El concepto de energía sostenible no implica el uso indiscriminado de
energía. Por lo tanto, los gobiernos también deben estimular el
ahorro de energía por los consumidores caseros, así como de la
industria, mediante nuevas tecnologías, tales como materiales de
aislamiento mejorado. Los materiales nanoestructurados, como
nanoespumas puede desempeñar un papel extremadamente aquí, por
su costos y simplicidad.

7. CONCLUSIONES.
Los datos que diversas agencias internacionales ofrecen sobre la
situación energética del mundo demuestran, sin lugar a dudas, que la
conversion energética ha pasado de ser un mero deseo de progreso
de la Humanidad a una urgente e imperiosa necesidad. No
solamente nos encontramos, en este comienzo del siglo XXI, en una
situación de extrema desigualdad, en terminos económicos,
tecnológicos, sociales e incluso de género, entre los diversos países
del planeta, sino que, de no tomar medidas urgentes, esas asimetrías
se verán agudizadas en el lapso de solamente un par de décadas, con
el consecuente impacto socioeconómico que, sin lugar a dudas,
afectará a todo el Globo, independientemente del lugar geográfico
específico donde una crisis aparezca. Resulta claro, a casi todos los
gobiernos, que la energía es ya uno de los factores de desarrollo más
efectivos y que una política energética va de la mano de una política
social incluyente y justa.
Aunque naciones como la nuestra han tomado medidas importantes
en términos de las políticas energéticas que debe seguir un país que
desee garantizar su sustentabilidad, en el más amplio sentido de este
vocablo, se nota, a nivel internacional, que el problema de la
conversion energética se ha visualizado, casi exclusivamente, como
un problema de generación de políticas y de administración eficiente
de los recursos energéticos de las sociedades. Esto son, ciertamente,
factores necesarios e importantes, pero, de ninguna manera, deben
excluir la necesidad de creación de nuevas tecnologías que permitan
enfrentar problemas que, en muchos casos, llevan ya siglos sin poder
resolverse con los paradigmas científicos convencionales.
La Ingeniería del futuro inmediato se verá enfrentada, una vez más,
al reto de cumplir con los requerimientos tecnológicos que son cada

día más urgentes, pero con la variante de que tendrá,
obligatoriamente, romper algunos esquemas y mirar hacia disciplinas
emergentes, como la Nanotecnología que, en el caso de los recursos
enegéticos, ha comenzado ya a mostrar alternativas inéditas y
extremadamente prometedoras, que los ingenieros del siglo XXI
deberán incluir no solo en sus curricula, sino en su práctica
profesional.
Para la Ingeniería Mexicana, el reto secular persiste: cumplir a
cabalidad con la sociedad, a través de expertos reconocidos
mundialmente en sus especialidades. La oportunidad: el convertir al
país en un verdadero líder tecnológico, en vez de un seguidor cercano
de ciencia y tecnología, como fue el común denominador, aún en
algunos de los mejores ejemplos, en el siglo pasado. La
Nanotecnología puede representar esa oportunidad histórica. Que los
ingenieros podamos, de nuevo, contribuir al engrandecimiento de
México con una nueva y renovada mentalidad.

Nanotecnología y Conversión Energética: retos y oportunidades. -
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