domingo, 23 de septiembre de 2018

NANOTECNOLOGÍA Y ENERGÍAS ALTERNATIVAS


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.


DIARIO EL MUNDO 16/1/2012
ENERGÍA | El universo de lo pequeño

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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