Un agujero negro (artificial) para el tejado de cada hogar

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Resultados experimentales para microondas a 18 GHz.

Uno de los campos que recibirá próximamente un Premio Nobel de Física son los metamateriales. Permiten desarrollar capas de invisibilidad, superlentes y, ahora, agujeros negros artificiales. Propuestos teóricamente hace unos meses, se acaban de fabricar experimentalmente en Nanjing, China. Una región circular de la que la luz (microondas) puede entrar pero no escapar (como microondas, dicho metamaterial se calienta y emite luz infrarroja). Desde el punto de vista de la analogía física se trata de un agujero negro tan real como uno astrofísico, por lo que en un futuro permitirá realizar experimentos cuánticos, incluyendo la (posible) generación de radiación de Hawking en el laboratorio (aunque no será fácil lograrlo). La analogía ideal que todo físico relativista estaba buscando. Las sorpresas lloverán en los próximos años. ¿Algún día estos agujeros negros artificiales serán útiles para algo? Como son elementos absorbentes de la luz, podrán tener utilidad en el desarrollo de placas solares fotovoltáicas más eficientes que, quizás me aventuro a afirmar, acabarán en los tejados de nuestros hogares. Sí, agujeros negros artificiales en el tejado de nuestras casas. Da para pensar. Nos lo cuentan magistralmente, no sin cierto humor, en “Artificial Black Hole Created in Chinese Lab,” ArXiv blog, Wednesday, October 14, 2009 [noticia que busca portada en Menéame]. El artículo técnico experimental es Qiang Cheng, Tie Jun Cui, “An electromagnetic black hole made of metamaterials,” ArXiv, Submitted on 12 Oct 2009. Los interesados en la propuesta teórica original disfrutarán de Evgenii E. Narimanov, Alexander V. Kildishev, “Optical black hole: Broadband omnidirectional light absorber,” Appl. Phys. Lett. 95: 041106, 2009. Hay muchas otras propuestas basadas en cristales fotónicos y otras tecnologías ópticas.

Agujero negro artificial fabricado y detalle de sus celdas elementales.
Agujero negro artificial fabricado y detalle de sus celdas elementales.

Qiang y Tie han fabricado un circuito integrado con 60 círculos concéntricos que utiliza dos tipos de elementos, unos que resuenan con las microondas y otros que no lo hacen. Las capas interiores son capaces de absorber completamente microondas con una frecuencia de 18 GHz que incidan en cualquier dirección. Obviamente, la energía ni se crea ni se destruye, por lo que dichas capas interiores se calientan. Materiales completamente negros, es decir, completamente absorbentes de la luz son de gran utilidad en la fabricación de células solares para placas fotovoltáicas.

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Simulaciones numéricas para el agujero negro artificial con microondas a 50 GHz.

Hemos de recordar que no es la primera vez que se fabrica un agujero negro en un laboratorio, aunque sí la primera vez que se hace ópticamente (“Fabricado el primer agujero negro acústico en un condensado de Bose-Einstein,” 11 Junio 2009). Los materiales negros son muy importantes en células solares fotovoltáicas y este avance tiene competidores, como los materiales basados en “pelos” de nanotubos de carbono (“Casi más oscuro que un agujero negro (o “el lado oscuro” de los nanotubos de carbono),” 11 Febrero 2008). Una de las primeras cosas interesantes que se podrán observar con el nuevo agujero negro artificial óptico de forma muy sencilla son las glorias de los agujeros negros (“La gloria de los agujeros (o cómo la luz interactúa con un agujero negro),” 7 Febrero 2008).

Los agujeros negros existen (han sido fabricados) en laboratorio, pero ¿existen los agujeros negros astrofísicos? Quizás sean estrellas negras (“¿Existen los agujeros negros? (sobre Science News’s “No more black holes?”),” 7 Enero 2008, y “Estrellas negras: agujeros negros fallidos como resultado de un efecto cuántico, la polarización del vacío,” 28 Septiembre 2009).


6 Comentarios

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VicenteVicente

Disculpa mi ignorancia, pero ¿en qué ayuda a aumentar la efeciencia en una célula fotovoltaica? ¿O es que el calor mejora la eficiencia?

emulenewsemulenews

¿Qué es una célula fotovoltaica? Un sistema físico que absorbe toda la energía posible de la luz solar y la transforma en energía eléctrica. ¿Qué es un material de color negro? Un material que absorbe toda la luz posible, no refleja nada. Un material con color refleja luz en cierto rango de frecuencias (la relación colorimetría y radiometría es complicada pues depende de cómo percibe nuestro cerebro los colores). ¿Por qué una célula fotovoltaica necesita un material negro muy negro a las energías en las que emite luz el sol? Para absorber el máximo posible de energía solar sin radiar (reflejar o perder) nada. ¿El calor mejora la eficiencia? Todo lo contrario. Lo ideal sería que toda la energía absorbida se convirtiera en energía eléctrica, pero la termodinámica no lo permite. Parte debe ser absorbida como vibraciones de los átomos/moléculas del material “negro” utilizado. El calor es termodinámicamente inevitable. Aún así, cuanto más negro sea el material mejor.

¿Eficiencia de una célula fotovoltaica? Si no existiera el calor ni la termodinámica ni sus leyes se podría transformar toda la energía recibida del sol en electricidad. Sin embargo, esto es imposible. Siempre tiene que haber pérdidas en forma de calor. ¿Cuál es la eficiencia teórica máxima? Depende del proceso físico considerado. En las células semiconductoras estándares el límite teórico rondaba el 30% (no recuerdo la cifra exacta). Con otras tecnologías el valor sube a un 40% y pico. Que yo sepa nadie ha logrado una eficiencia teórica (ni mucho menos experimental) superior al 50%.

El retorno energético de las células solares fotovoltaicas actuales es bajo (el cociente entre la energía necesaria para fabricarlas y la energía que se obtiene durante su vida útil en condiciones óptimas). Sólo cuando se suba este valor la fotovoltaica podrá competir con las energías fósiles y la hidráulica. Por ejemplo, para el petróleo, a principios de s. XX, era próximo a 100 y para la fotovoltaica hoy, difícilmente, se llega a 5 (una célula vive unos 30 años y el tiempo de retorno se estima en 7 años). Hablo de memoria y creo que en laboratorio hay resultados mucho mejores. Pero en la calle… no los hay… todavía.

No soy experto en estos temas, si algún experto que lee esto cree que he metido la pata, que nos lo comente a todos. En España hay expertos de primer nivel mundial en fotovoltaica.

MacbethMacbeth

Parece (expertos a un costado del camino) que en la fotosíntesis de madre natura y las ramitas orientandose conforme series de Fibonacci está el mayor mejor aprovechamiento de la energía solar. Metamateriales aparte (que igualmente son bienvenidos).
No han sido los chinos esta vez, otra vez lo ha experimenetado un estadounidense émulo de Sir Francis Bacon y su gran invención de patente de la propiedad intelectual. Igualmente podemos ver que el niño es perseverante y logra con sus aportaciones traer a la realidad algo que ya se sabía: que la biónica es la madre de todos los diseños desde da Vinci a esta parte.

http://www.amnh.org/nationalcenter/y.../aidan.html

emulenewsemulenews

Macbeth, perdona pero lo del chaval este es una magufada, una chorrada sin mayor sentido. Como es obvio (basta ver la foto de su árbol) su configuración recolecta menos luz que la configuración convencional. No hay que ser experto para saberlo. ¿Cómo es posible que esto se publique en blogs y en prensa? Por la incultura de mucha gente que escribe en blogs y en prensa.

El chaval es un ignorante en energía solar y no conoce ni lo más elemental de la técnica, pero ha ganado un concurso de ciencia para colegiales, con lo que la prensa lo eleva a genio de la talla de Bacon. Pero no es más que un chaval y punto.

Más información sobre el porqué los árboles de Fibonacci con paneles solares no funcionan en http://goo.gl/tE3bo (“Solar-panel “trees” really are inferior (or: “In which hopelessly inept journalists reduce me to having to debunk a school science project”).

MacbethMacbeth

Muchas gracias señor. La energía solar vuelve al descarte de energías de flujo incremental considerable. Las plantas sí la seguirán aprovechando.

Soy partícipe de lo que se publica cuando lo considero y lo muestro a los demás como referente válido, espero no cometer errores de tal tenor cuando empieze a escribir en http://kodesubstanz.wordpress.com/ eso que desvela y que se me hace ya más importante que lo cotidiano de política y economía internacional.

Antonio GarciaAntonio Garcia

Muy curioso todo pero bastante incomprensible para alguien que no es físico, solo medico. De todas formas mi curiosidad me anima a indagar mas.
Gracias

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