Copiando de la naturaleza para una energía eficiente y sostenible: girasoles

 Científicos en Estados Unidos y Alemania investigaron con modelos matemáticos la forma más eficiente de orientar paneles solares. Y la respuesta, para sorpresa de los expertos, ya había sido hallada por la naturaleza hace millones de años.

 Alexander Mitsos y Corey Noone, del Instituto Tecnológico de Massachussets, MIT por sus siglas en inglés, comenzaron estudiando la distribución de los paneles solares en la planta de concentración solar conocida como PS10, cerca de Sevilla, en el sur de España.

 Más de 600 espejos, cada uno del tamaño de la mitad de una cancha de tenis, siguen al sol concentrando sus rayos en una torre central, donde el calor es transformado en electricidad para 6.000 hogares. Las plantas de concentración solar (CSP por sus siglas en inglés) utilizan grandes conjuntos de espejos o helióstatos para concentrar los rayos del sol en un área pequeña. La luz concentrada es convertida en calor, que a su vez genera electricidad.

 En la distribución tradicional, los espejos son dispuestos en filas de semicírculos concéntricos similares a un teatro, pero este patrón no es totalmente eficiente. Si bien hay brazos robóticas que mueven los espejos para seguir el movimiento del Sol, hay momentos del día en que unos espejos hacen sombra sobre otros.
La forma más eficiente de distribución, según los expertos del MIT, es colocar cada panel a un ángulo constante de 137 grados respecto al que le antecede, un patrón conocido en matemática como la espiral de Fermat, en alusión al matemático francés del siglo XVII.

Y ésa es exactamente la manera en que están dispuestas las florecillas en el interior de un girasol.

 En la planta PS10, los espejos concentran la luz del Sol en una torre y el calor es transformado en electricidad.

 Los investigadores del MIT comenzaron haciendo una representación digital de la planta PS10 y dividiendo cada espejo en cerca de 100 segmentos. Posteriormente utilizaron modelos matemáticos para calcular la pérdida de energía en cada segmento cuando los espejos bloquean parcialmente la luz. Por último, reconfiguraron los segmentos para un aprovechamiento ideal de la radiación solar.
 Mitsos y Noone también buscaron combinar esa distribución con otro objetivo clave, ahorrar espacio, y mostraron el patrón resultante a otro de los investigadores, Manuel Torrilhon, de la Universidad Aachen en Alemania.
 Torrilhon reconoció la presencia de un patrón en espiral, similar al hallado en la naturaleza, por lo que los investigadores buscaron inspiración para su patrón óptimo específicamente en los girasoles.

 Las minúsculas florecillas que conforman el interior de un girasol están dispuestas en el patrón conocido como espiral de Fermat, que puede verse en distintos objetos en la naturaleza y ha fascinado a los matemáticos durante siglos.
 Los griegos incluso aplicaron el patrón a la arquitectura. En un girasol, cada florecilla está inclinada respecto a su vecina en una proporción de 137 grados, lo que se conoce como el "ángulo dorado".

  Las plantas de concentración solar requieren grandes extensiones de tierra, sin embargo, la nueva distribución mejora la eficiencia de los paneles y permite colocarlos en un espacio 16% menor.

 Mitsos asegura que utilizar este patrón en plantas de concentración solar en el futuro permitiría reducir significativamente la cantidad de tierra utilizada, disminuyendo costos.
"Las plantas de energía termal solar concentrada requieren enormes extensiones de superficie. Si queremos lograr en el futuro que al menos un 10% de la energía provenga de fuentes renovables, necesitaremos grandes áreas, por lo que la eficiencia es fundamental", señaló el investigador del MIT.

 El estudio, publicado en la revista Solar Energy, muestra la importancia de la biomimesis o biomimética, un campo de investigación que busca inspiración en la naturaleza para la solución de problemas tecnológicos y sociales.

Fuente: BBC Mundo.

Copiando de la naturaleza para una energía eficiente y sostenible: plantas

  Las plantas son tan fantásticas en la conversión de la energía en una forma almacenable (por la fotosíntesis, extraen azúcares y oxígenos a partir de agua, luz solar y dióxido de carbono) que los científicos se esfuerzan por encontrar una manera simlar con la que los seres humanos pueden imitar este proceso básico.
 
 El dispositivo de hoja artificial diseñado por el científico del Massachusetts Institute of Technology Daniel Nocera, visto anteriormente, con algunas hojas verdaderas, es un paso más cerca de hacer posible la fotosíntesis artificial.

Fotografía cortesía de Dominick Reuter, MIT

  Hecho de una célula solar de silicio con los materiales catalíticos unidos a cada lado de la célula, cuando se coloca en el agua, divide el agua en oxígeno e hidrógeno para su posterior uso en pilas de combustible. A diferencia de anteriores hojas artificiales, el de Nocera funciona con agua corriente y no requiere de cables o equipos. Es ligero y portátil.

  Si los investigadores pudieran desarrollar un sistema simple de recoger y almacenar los gases, cada uno de nosotros puede tener "energía personal" a nuestro alcance: el hidrógeno y el oxígeno se podrían introducir en una celda de combustible que los combina de nuevo en el agua, mientras se genera una corriente eléctrica.

Fuente: National Geographic.

Copiando de la naturaleza para una energía eficiente y sostenible: mariposas

 La superfice de las alas de las mariposas es un entramado de piezas, como un tejado.

 La tecnología espacial y el diseño industrial todavía intentan comprender la complejidad de las alas de una mariposa. Detrás de ellas existe un entramado de rectángulos, como tejas sobrepuestas, que duplican la capacidad de atrapar la energía solar con respecto a los paneles convencionales.

 Para muchos investigadores, en su fragilidad y en su belleza se esconde una de las claves del aprovechamiento de la energía solar para el planeta.

 En ese sentido, científicos de China y Estados Unidos desarrollan sendos proyectos para aprovechar su diseño en el desarrollo de la tecnología solar. 

 Tongxiang Fan, de la Universidad de Jiao Tong de Shanghai en China, acaba de presentar un prototipo en la American Chemical Society de San Diego (EE.UU.) que resume años de observación de dos especies de mariposas negras, las que absorben la mayor cantidad de luz solar.

 En sus observaciones microscópicas encontraron que las alas están compuestas de diferentes capas de escamas con pequeños orificios entre ellas. Cada capa permite conservar una parte del calor como compuertas que se van cerrando.

"El prototipo, que reproduce la estructura con células solares, se utilizó para sintetizar la energía solar y el resultado fue sorprendente: el catalizador inspirado en las mariposas producía energía al doble de velocidad que un catalizador tradicional"

  Además, comentó el experto en su presentación, el proceso de fabricación es más sencillo y rápido que otros métodos.

  "La capacidad de recolección de luz es muy importante para el rendimiento de los dispositivos de energía solar. Lo que buscamos es que en un futuro cercano se aproveche al 100% la energía del sol y por ello investigamos uno de los mejores colectores de energía de la naturaleza, las mariposas", detalló Fan.

 El misterio de las alas de mariposa no termina en su forma. Investigadores de la Universidad de Yale descubrieron que en la punta de las escamas existen unas nanoestructuras de cristal, llamadas giroids, que influyen en su color y que esparcen la luz de forma selectiva.
 El giroid está hecho de quitina, el resistente material que forma el exterior de los insectos y algunos crustáceos.
  Richar Prum, director de la investigación, explicó en la revista "Bioinspiration & Biomimetics" cómo los cristales son fundamentales para que la superficie de las alas de las mariposas tomen la forma de una tupida red de bumeranes.

 Los girods son nanoesctructuras de cristal que ayudan la absorción de luz en las mariposas.

Cada escama o teja del ala produce un giroid. Cuando la escama se regenera, el cristal se queda en su lugar hasta que crece otra escama con un nuevo giroid.
 Con los resultados de la investigación se espera crear paneles solares que mejoren su eficiencia.

Un equipo de investigadores de las Universidades de Pensilvania (EE.UU.) y Autónoma de Madrid, que desarrolla un programa para reproducir estructuras biológicas, ya ha conseguido construir difusores ópticos para paneles solares inspirados en las alas de las mariposas.

"Las mariposas no sólo son hermosas, son muy buenas difusoras de la luz y permiten aprovechar al máximo la absorción de energía solar", detalló Martín Palma, uno de los responsables del estudio.

Fuente: BBC Mundo. 

Copiando de la naturaleza para una energía eficiente y sostenible: algas

 Largos filamentos de las algas kelp cabeza de toro por debajo de la superficie y del batir de las aguas costeras consiguen generar energía a partir de los rayos del sol y, quizás señalen un camino para la humanidad en pos de capturar y usar la energía solar.

Fotografía de Mauricio Handler, National Geographic

  Las algas son una de las innovaciones de la naturaleza de la que los ingenieros tratan de inspirarse en su intento de diseñar sistemas de energía más limpia y más eficiente. Los defensores de la "biomimética" están buscando sistemas que pueden ayudar a la humanidad mejor para hacer frente al desafío de alimentar energéticamente de una forma sostenible a la civilización.
 Biomimetismo simplemente significa el uso de diseños inspirados en la naturaleza para resolver problemas humanos. Y podemos imitar a las plantas con sus fantásticos motores de la fotosíntesis o a animales tan pequeños como insectos o tan grandes como las ballenas en otros aspectos que iremos publicando.

 La idea es que en más de 3,8 millones de años de evolución, la naturaleza ha resuelto muchos de los problemas a los que la humanidad debe enfrentarse en la actualidad. Dado que la energía es uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta el mundo, con gran parte de la investigación dirigida a diseñar sistemas que trabajen en una mayor armonía con el planeta, no es de extrañar que la ciencia acuda a la naturaleza en busca de respuestas.

  El alga kep cabeza de toro, es una de las algas marinas más fuertes y flexibles del mundo. Puede crecer hasta 30 m, desde la base en el fondo del mar hasta la punta de sus hojas. El movimiento de las hojas de este tipo de algas, en la medida en que ellas a través de la fotosíntesis convierten luz solar en energía, ha inspirado a una compañía Australiana que busca comercializar un sistema que genera energía a través del suave movimiento de flotadores subiendo y bajando sobre las olas.

 BioPower Systems de Sydney, Australia, está trabajando para lograr una planta piloto con un coste mayor a 14 millones de dólares, con su sistema Biowave© en la costa de Port Fairy en el estado australiano de Victoria.
 El año pasado, recibió un premio de 5 millones de dólares por parte del gobierno de Victoria para ayudar a llevar el proyecto a buen término.
 

Imagen cortesía de BioPower System

  Con 250KW, la planta piloto tendría planificado instalar una potencia de una quinta parte de una turbina eólica comercial común. Sistemas de este tamaño, serían suficientes para alimentar a pequeños barrios o grandes edificios institucionales, por ejemplo. Todo dependerá de la eficiencia que el sistema alcance. La compañía ha invertido cinco años de realizar varias pruebas simulando las condiciones oceánicas en tanques, aumentándolos de escala antes de su implementación en el mar.

  Los flotadores de Biowave están diseñados para recoger la energía de las olas del mar, mientras que un soporte flexible permitiría a los flotadores girar para conseguir generar aun más energía cambiando su posición en función de las corrientes marinas. 

 Pero la inspiración obtenida de algas debe estar supeditada a la practicidad. A diferencia de algas marinas, Biowave se ha diseñado para sus flotadores un sistema de inundación con agua durante momentos de gran oleaje, así los flotadores se hunden hasta el fondo del mar a la espera de mares más tranquilos. Eso es importante porque de este modo, el dispositivo no funciona con un oleaje demasiado fuerte que pudiera dañarlos, de manera que se reducen los costes del sistema porque de este modo Biowave no necesita un control exhaustivo sobre las condiciones que se dan en el fondo del mar.


Artículo original de Rachel Kaufman - National Geographic