Un dispositivo que atrapa la luz solar puede generar temperaturas superiores a los 1.000 °C
Un colector de energía solar que utiliza cuarzo para atrapar el calor alcanzó los 1.050 °C en las pruebas y podría ofrecer una forma de descarbonizar la producción de acero y cemento.
Por Cell Presse
Dispositivo de captura térmica que alcanza los 1050 ºC. Crédito: Device/Casati et al.
En lugar de quemar combustibles fósiles para fundir acero y cocinar el cemento, investigadores suizos quieren utilizar el calor del Sol. Para avanzar en esta propuesta, un equipo de investigadores ha utilizado cuarzo sintético para atrapar la energía solar a temperaturas superiores a 1.000 °C. Como apuntan en la revista Device, este nuevo método ecológico podría suministrar energías limpias en las industrias que usan carbono de forma intensiva.
"Para abordar el cambio climático, necesitamos descarbonizar la energía en general— comenta Emiliano Casati, de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zurich), en Suiza. Y añade—: La gente tiende a pensar en la electricidad solo como energía, pero en realidad, aproximadamente la mitad de la energía se utiliza en forma de calor".
El vidrio, el acero, el cemento y la cerámica están en el corazón mismo de la civilización moderna, y son materiales esenciales para construir desde motores de automóvil hasta rascacielos.
Industrias como la del vídrio y el acero representan alrededor del 25% del consumo mundial de energía.
La fabricación de estos materiales exige temperaturas superiores a 1.000°C, y depende en gran medida de la quema de combustibles fósiles para obtener calor. Estas industrias representan alrededor del 25% del consumo mundial de energía. Los investigadores han explorado una alternativa de energía limpia utilizando captadores solares, que concentran y generan calor con miles de espejos de seguimiento solar. Sin embargo, esta tecnología tiene dificultades para transferir eficientemente la energía solar por encima de los 1.000 °C.
Para aumentar la eficiencia de los captadores solares, Casati recurrió a materiales semitransparentes como el cuarzo, que pueden atrapar la luz solar, un fenómeno denominado efecto de trampa térmica. Este se refiere a la capacidad de un material para capturar y retener calor dentro de un sistema, generalmente mediante el aprovechamiento de la radiación solar.
Este fenómeno es especialmente útil en aplicaciones donde se busca maximizar la eficiencia del uso del calor solar, como en la generación de energía solar térmica o en procesos industriales que requieren altas temperaturas.
Fabricación de envases de vidrio. Foto: Bill Gillette
El principio detrás del efecto de trampa térmica se basa en el diseño y los materiales que permiten la absorción de la luz solar y minimizan la pérdida de calor. Los materiales utilizados suelen tener propiedades ópticas específicas que favorecen la absorción de la luz visible y la infrarroja, mientras que reflejan poco calor hacia el exterior. Esto permite que el sistema alcance y mantenga temperaturas elevadas, lo que puede ser crucial para la eficiencia de los procesos que dependen de altas temperaturas.
En el contexto de la investigación suiza, el equipo creó un dispositivo de captura térmica fijando una varilla de cuarzo sintético a un disco de silicio opaco para absorber la energía.
Investigaciones anteriores solo habían logrado demostrar el efecto de trampa térmica hasta los 170 °C.
Cuando expusieron el dispositivo a un flujo de energía equivalente a la luz procedente de 136 soles, la placa absorbente alcanzó los 1.050 °C, mientras que el otro extremo de la varilla de cuarzo permaneció a 600 °C.
"Las investigaciones anteriores solo habían logrado demostrar el efecto de trampa térmica hasta los 170 °C —dice Casati. Y añade—: Nuestra investigación demostró que la captura térmica solar funciona no solo a bajas temperaturas, sino también muy por encima de los 1,000 °C. Esto es crucial para demostrar su potencial para aplicaciones industriales reales".
Usando un modelo de transferencia de calor, el equipo también simuló la eficiencia de la trampa térmica del cuarzo bajo diferentes condiciones. El modelo mostró que la captura térmica alcanza la temperatura objetivo a concentraciones más bajas con el mismo rendimiento, o con una mayor eficiencia térmica para una concentración igual.
Quinientos soles.
Por ejemplo, un receptor de última generación (sin protección) tiene una eficiencia del 40% a 1.200 °C, con una concentración de quinientos soles. El receptor protegido con 300 mm de cuarzo alcanza una eficiencia del 70% a la misma temperatura y concentración. El receptor sin protección requiere al menos mil soles de concentración para un rendimiento comparable.
Casati y sus colegas ahora están optimizando el efecto de trampa térmica e investigando nuevas aplicaciones para el nuevo método. Hasta ahora, su investigación ha sido prometedora. Al explorar otros materiales, como diferentes fluidos y gases, lograron alcanzar temperaturas aún más altas. El equipo también notó que la capacidad de estos materiales semitransparentes para absorber luz o radiación no se limita a la radiación solar.
"La cuestión energética es fundamental para la supervivencia de nuestra sociedad— dice Casati. Y continúa—: La energía solar está disponible, y la tecnología ya está aquí. Para motivar realmente la adopción por parte de la industria, necesitamos demostrar la viabilidad económica y las ventajas de esta tecnología a gran escala."
Información facilitada por Cell Press -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones
Fuente: Emiliano Casati, Leo Allgoewer, Aldo Steinfeld. Solar thermal trapping at 1,000°C and above. Device (2024). DOI: https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100399
