TÍTULO DE LA CLASE:
Nanociencias, nanotecnología y
energías alternativas
CONTEXTO TEMÁTICO
Se está iniciando el eje 2 “La energía en el universo físico”, la
parte de energías macroscópicas y su aprovechamiento. Ya se abordó el tema de
las fuentes energéticas renovables y no renovables y de la crisis energética
actual.
OBJETIVOS:
Con esta clase se pretende que el estudiante
• conozca qué es la nanotecnología y qué aplicaciones
tiene
• reflexione acerca de la importancia que tendrá la
nanotecnología para mejorar el rendimiento de la energía solar y de este modo
preservar el medio ambiente
INTRODUCCIÓN AL TEMA
Se retomará con la lluvia de ideas que los alumnos armaron durante
clases anteriores con sus ideas previas acerca de qué es la nanotecnología.
CONSIGNAS PARA EL ALUMNO:
ACTIVIDAD N°1:
Lean la entrevista al científico español Fernando Briones y miren
la entrevista a la doctora argentina Cristina Hoppe en el capítulo 13 del ciclo
“Mujeres de ciencia” https://www.youtube.com/watch?v=Wei7vfrkYUE y luego respondan:
1.
¿Qué es la nanotecnología?
2.
¿Las propiedades de la materia
a escalas macroscópicas son iguales a una escala nanométrica?Explica.
3.
¿Qué usos tendrá la
nanotecnología en el campo médico?
4.
¿La nanotecnología puede ayudar
a la problemática de la contaminación del medio ambiente debido a la
utilización de combustibles fósiles para obtener energía?
5.
¿Qué opina el profesor Briones
acerca del sol como fuente energética?
6.
¿Por qué motivo es difícil
utilizar la energía solar a gran escala?
7.
¿Qué aporte puede realizar la
nanotecnología para optimizar el rendimiento de la energía solar?
La idea es que los alumnos a través de la lectura de la entrevista
y de la visualización del video puedan armar un concepto de nanociencias ,
nanotecnología y de las aplicaciones que tienen en la actualidad.
Nanociencia
y nanotecnología para conseguir energías alternativas
Desde hace ya tiempo, existen diversos estudios científicos en
los que se demuestra que la utilización de combustibles fósiles como principal fuente
energética ocasiona graves daños medioambientales, tales como polución y
desajustes del clima. Nuestra sociedad necesita con urgencia cambiar de modelo
energético.
La nanotecnología puede mejorar el rendimiento de materiales
fotovoltaicos usados en los dispositivos de energía solar
En los próximos años, las nanociencias y las nanotecnologías
pueden jugar un papel fundamental a la hora de facilitar esta ineludible
conversión.
Para poder profundizar más en este tema hoy tengo la oportunidad
de poder charlar con Fernando Briones, profesor de investigación del Instituto
de Microelectrónica de Madrid (IMM-CSIC) y fundador de un grupo pionero en el
mundo en la tecnología de Epitaxia de Haces Moleculares (MBE), la más avanzada
en la fabricación de nanoestructuras semiconductoras. En la actualidad trabaja
en el desarrollo de células solares fotovoltaicas más eficientes mediante la
integración de nanoestructuras de nuevos materiales.
¿Cómo pueden contribuir las
nanociencias a la obtención de tecnologías energéticas más respetuosas con el
medio ambiente?
Fernando Briones.-Mediante sus grandes aportes al desarrollo de
un nuevo modelo energético basado en opciones más racionales para la
generación, almacenamiento, ahorro y distribución de energía. Fundamentalmente,
en relación con el aprovechamiento de la energía solar, la fuente de energía
más ubicua, más sostenible y limpia de que disponemos, apoyarán el desarrollo
del concepto de 'cosechadoras' de energía solar. Células solares fotovoltaicas
que combinarán un gran rendimiento de captación y conversión de los fotones
solares en energía eléctrica, con un diseño inteligente y el empleo de
materiales abundantes y de bajo coste.
Serán compatibles con el urbanismo actual y respetuosas e
integrables en el medio natural, ayudando incluso a remediar zonas desérticas o
devastadas.
¿Cuál es el rendimiento
actual de conversión de la radiación solar en energía eléctrica?
F. B.- En las actuales células fotovoltaicas comerciales de
silicio, oscila entre un 15% y un 20%, según la tecnología elegida y el
fabricante. Su coste energético, es decir, el tiempo que deberían funcionar
para devolver la energía empleada en la fabricación de un módulo completo, es
actualmente inferior a un año y su tiempo de vida útil garantizado supera los 25
años.
Sin embargo, y a pesar del rápido crecimiento de las inversiones
y expectativas en la industria fotovoltaica, su coste todavía es poco
competitivo en relación al de las fuentes convencionales y es necesario
investigar cómo aumentar significativamente el rendimiento o, alternativamente,
reducir los costes de producción.
- ¿Qué puede aportar
la nanotecnología para lograr este necesario aumento del rendimiento?
F. B.- Las células monolíticas multi-unión, desarrolladas
inicialmente para el espacio y fabricadas por epitaxia de semiconductores
GaInP/GaAs/GaInAs/Ge, han alcanzado ya este año un rendimiento récord de un
43,5% en la empresa Solar Junction, en California . En este desarrollo, por
cierto, ha participado uno de los doctores formados en nuestro laboratorio,
Ferrán Suarez, trabajando en la actualidad en dicha empresa.
Las células multi-unión funcionan óptimamente con
concentraciones del orden de 500 soles, lo que permite que el tamaño de los
chips sea muy pequeño (2,5 x 2,5 mm) y que, por tanto, el alto coste de los
materiales y su fabricación quede más que compensado. Asimismo, sus pequeñas
dimensiones también implican una reducción notable en el coste de instalación,
sistemas de seguimiento, concentración óptica y mantenimiento que, en última instancia,
definen la viabilidad económica de cualquier opción energética.
¿Y cuál sería la mejor opción
para zonas geográficas con nubosidad?
F. B.-Utilizar células de bajo coste que mantengan un
rendimiento mínimo por encima del 10 %. Para ello son ideales las tecnologías
de película delgada, en materiales como el silicio nanocristalino y amorfo o
los semiconductores orgánicos. Estas células pueden fabricarse como
recubrimientos semitransparentes sobre las ventanas de los edificios y, en el
caso de células de material orgánico, se podrán 'imprimir' sobre plásticos
flexibles, tales como los que se utilizan en invernaderos. Alemania y Japón son
los países que más se han decantado por estas tecnologías de película delgada,
pero aún queda mucho por hacer, sobre todo en relación a la mejora de la
estabilidad de los materiales a largo plazo.
Ha comentado que, aparte de
los desarrollos en células solares, la nanotecnología también tendrá
aportaciones en el campo del almacenamiento de la energía eléctrica. ¿De qué forma?
F. B.-Ayudará a que dispongamos de baterías ligeras, potentes,
económicas, fiables y reciclables para que la opción del automóvil eléctrico
sea una realidad en el próximo futuro. En la actualidad, se optimizan las
características de estabilidad y procesos de fabricación más económicos
actuando sobre el tamaño de las nanopartículas de LiFePO4 que constituyen el
cátodo y en la nanoestructuración del los electrodos conductores de carbono
para mejorar enormemente su capacidad (hasta 170A.h/ kg), su potencia pico y la
estabilidad frente a múltiples ciclos de carga descarga.
El hecho de que las materias primas de estas baterías sean
abundantes y no contaminantes, junto a las excepcionales prestaciones ya
alcanzadas, muy superiores a las de las baterías de NiCd, hace que se esté
librando en estos momentos una furibunda guerra de patentes y algunos retrasos
en la adopción de estas tecnologías por las grandes compañías automovilísticas.
La nanoestructuración es también fundamental para el desarrollo
de los supercondensadores, otro componente básico para aportar los picos de
corriente necesarios en los motores eléctricos de los automóviles. Los últimos
desarrollos en este campo alcanzan capacidades específicas del orden de 500F/g
con un coste moderado y ya están llegando al mercado
¿Cuándo cree que se podrán
generalizar los nuevos desarrollos?
F. B.-Las tecnologías básicas ya están muy avanzadas pero su
aplicación global en gran escala depende ahora fundamentalmente de factores
económicos, sociales y políticos muy ajenos a la ciencia y a la tecnología.
ACTIVIDAD N°2:
- Recordemos en qué regiones de Argentina se utiliza el recurso de
Enegría Solar. ¿Es un recurso maximizado o explotado?¿Por qué?
-Se proyectará un breve video de energía solar utilizando
nanotecnología
-En forma individual cada alumno tomará nota mientras se reproduce
el video.
- Reunidos en pequeños grupos compararán las notas. ¿Tienen la misma
información?.
-Realicen un resumen del video utilizando las notas de todos los
integrantes del grupo.
- Cada grupo leerá la redacción obtenida por los aportes de todos
los integrantes.
- Se analizará cuáles son los datos que se repiten en el total de
los grupos y con ellos se realizará un mapa conceptual que se escribirá en el
pizarrón.
-Realicen una lista de los aspectos negativos para el medio
ambiente, a partir de la obtención de energía a través de los recursos
estudiados a lo largo del año. Analicen de qué manera la Energía Solar preserva
el medio ambiente, en contraposición a los ejemplos de tu lista.
ACTIVIDAD DE EVALUACIÓN
Criterios de evaluación:
• Conocimiento del objeto de estudio de la
nanotecnología y su aplicación en la optimización de la energía solar como
recurso energético
• Interpretación correcta de las consignas
• Valoración de las ideas y opiniones propias y
ajenas
PRIMERA PARTE:
1) Elabora un texto que
explique como la nanotecnología podría contribuir al desarrollo de la energía
solar y de este modo preservar el medio ambiente.
2) Intercambia el texto con
tu compañero o compañera de banco , lee su producción y completa:
• Lo que mas me gustó de tu trabajo es
-----------------------------------------------------------------------
• A tu trabajo le
agregaría--------------------------------------------------------------------------------------------------
VALORACIÓN DOCENTE:
• Para el próximo trabajo te
sugiero-------------------------------------------------------------------------------------------
SEGUNDA PARTE ( INDIVIDUAL):
1) ¿Qué es la nanotecnología?
2)Compara tu respuesta actual con la lluvia de
ideas de la primera clase.
3) En la escala del 1 al 10
¿Cuánto aprendiste sobre el tema ? Fundamenta tu respuesta.
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