¿Podemos extraer energía “gratis” del vacío? (o sobre las fuerzas de Casimir)

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El vacío, en física cuántica, “no está vacío.” Esta sorprendente característica de la física cuántica es consecuencia directa del principio de incertidumbre de Heisenberg y ha sido verificada experimentalmente en múltiples ocasiones: dos placas conductoras no cargadas separadas por el vacío “sienten” una fuerza de atracción debida al vacío, fenómeno descubierto en 1948 por el danés Hendrick Casimir.  

Muchos han tratado de obtener energía “gratis” del vacío utilizando el efecto Casimir o sus variantes (por ejemplo, el “Research Laboratory for Vacuumenergy“). Los detractores de la idea, amparándose en la termodinámica, consideran que es imposible generar un “perpetuum mobile” ya que la fuerza de Casimir siempre es atractiva, luego para conseguir un movimiento útil (oscilación) hay que revertir el movimiento logrado añadiendo energía, con lo que en promedio la “energía gratis” obtenida es cero. ¿Realmente no es posible obtener “energía gratis” del efecto Casimir?

Incluso si se pudiera, la fuerza de Casimir (y la energía a obtener) es extremadamente pequeña. Se necesitarían dos placas de 200 kilómetros cuadrados separadas por una micra (millónesima de metro) para conseguir energía potencial suficiente para encender una bombilla de 100 watios durante un segundo.

Afortunadamente, una energía (fuerza) tan pequeña podría servir para poner en funcionamiento un sistema microelectromecánico (MEMS), pequeñas máquinas de tamaño micrométrico, normalmente implantadas en chips de silicio y fabricadas con la misma tecnología (fotolitografía) que la CPU de nuestro ordenador. Esto no es utópico. Ya se hizo hace casi una década. H. B. Chan, V. A. Aksyuk, R. N. Kleiman, D. J. Bishop, Federico Capasso, “Quantum Mechanical Actuation of Microelectromechanical Systems by the Casimir Force,” Science, Vol. 291. no. 5510, pp. 1941-1944 (2001), construyeron un dispositivo de torsión micromecánico en el que una placa de polisilicio rota alrededor de dos hilos finos “gratis” gracias a las fuerzas de Casimir debidas a la presencia de una superficie esférica metálica cercana (a pocos nanómetros de distancia). Las figuras (A) y (B), arriba, muestran imágenes del dispositivo. El dispositivo, como muestra la figura inferior (arriba) es un torsor que se mueve un ángulo extremadamente pequeño (micro-radianes), sometido a fuerzas de nanoNewtons.

Un artículo que muestra como ha avanzado la microelectromecánica y la nanoelectromecánica basada en fuerzas de Casimir es “Casimir Forces and Quantum Electrodynamical Torques: Physics and Nanomechanics,” Capasso, Munday, Iannuzzi, and Chan, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Volume 13, Issue 2, Page(s):400 – 414 (2007).

Estos ejemplos ratifican que el vacío en la teoría cuántica del electromagnetismo, llamada electrodinámica cuántica, realmente no está tan vacío como cabría esperar. El principio de incertidumbre de Heisenberg permite que en espacios o en tiempos muy pequeños la incertidumbre en momento lineal o en energía permita la constante creación (y subsiguiente destrucción) de partículas elementales de todo tipo, pero que no son medibles experimentalmente, se denominan virtuales. En promedio se crean tantas partículas (energía) como se destruyen, luego en circunstancias simétricas el resultado es exactamente cero.

Pero, volvamos al principio, ¿podemos extraer “energía gratis” del vacío? En este sentido el artículo de R. D. Schaller and V. I. Klimov, “High Efficiency Carrier Multiplication in PbSe Nanocrystals: Implications for Solar Energy Conversion,” Physical Review Letters, Volume 92, Issue 18,  186601 (2004), ofrece una respuesta interesante. En una célular solar estándar cada fotón excita un sólo electrón y se puede demostrar que su eficiencia teórica máxima es del 35% (energía generada a partir de la recibida). En las células solares basadas en nanocristales desarrolladas por Klimov en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, un fotón es capaz de excitar más de un electrón. ¿Cómo es posible? La explicación cuántica es que el electrón excitado “desaparece” en el vacío e interactúa con otros (hasta 7) electrones del vacío (virtuales) y extrae energía de ellos. El coeficiente teórico de eficiencia máxima es por tanto del 700% aunque en la práctica sólo se alcanza del orden del 100% de eficiencia, eso sí, gracias a “robarle” energía al vacío. Técnicamente el proceso se denomina “recombinación de Auger”.

Todavía queda muho para que estas primeras experiencias sobre “cómo extrear energía gratis del vacío” alcancen dispositivos comerciales que todos podamos aprovechar. Pero los avances, aunque lentos, van en la dirección de una respuesta afirmativa a nuestra pregunta inicial.

ACTUALIZACIÓN (1 de marzo de 2008)

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Se ha propuesto teóricamente un nuevo mecanismo de movimiento “gratis” basado en fuerzas de Casimir (ver dibujo arriba): MirFaez Miri, Ramin Golestanian, “A frustrated nanomechanical device powered by the lateral Casimir force,” ArXiv preprint (Submitted 28 February). Todavía no se ha construido físicamente (experimentalmente) y no sé si se logrará próximamente pues los dispositivos nanotecnológicos corrugados son difíciles de fabricar.



1 Comentario

  1. he visto muchos dispositivos en internet que se dice que estrae este tipo de energia porque rompe con las teorias conocidas , de la primera y segunda ley de la termodinamica , por ejemplo la s.e.g de jhon roy rober searl , el dispositivo de meyer que hacia andar los autos a agua con hidrogeno , y muchos dispositivos mas pero parecen que los intereses son muy enormes , y el motor magnetico de la universidad de holanda creo que es la universidad de delfi , investiguen porque creo que son cosas que no convienen ,el motor de howard johnson un inventor en serie y ingeniero nuclear el mismo decia que no sabia de donde salia la energia de los motores magneticos y desafia a los cientificos que sus motores funcionaban los llevaba a su casa y los terminaba combenciendo por medio de hechos practicos , atravez de sus juguetes que habia hecho en su casa .y murio no sabiendo de donde salia la energia extra que hacia funcionar sus motores magneticos , com eso hay mucho mucho mas .

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 25 febrero, 2008
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Mecánica Cuántica • Nanotecnología • Termodinámica
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