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.
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