Rectificación óptica: un nuevo método económico para explotar la energía solar

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¿Qué ocurre cuando dos rayos de luz se cruzan? ¿Chocan, interactúan de alguna manera? La respuesta válida en la mayoría de las situaciones es: no, no interactúan. Al igual que dos pequeñas olas en una piscina, cada «onda» llega, se cruza con las demás, y cada cual sigue su camino sin inmutarse. El resultado es que en cada punto existe una suma, o superposición, de los efectos de cada una de las ondas de luz:


Pero esto es en una primera aproximación, que asume que la respuesta del medio es lineal. Un frente de onda de luz en realidad se puede ver como un campo eléctrico y magnético ligados mediante leyes muy bien definidas que hacen que se propaguen cada uno en un plano perpendicular al otro, como en este esquema:

Los campos eléctrico (E) y magnético (B), propagándose en dirección Z+.

El campo eléctrico (E) es mucho más intenso que el magnético (B), y al pasar por un material dieléctrico «empuja» a los electrones de los átomos formando una pequeña diferencia de potencial eléctrico, o densidad de flujo eléctrico (D), que no sólo depende del campo E, sino de las propiedades del material:
D = εE + P (ε es la permitividad eléctrica)
Las ecuaciones de comportamiento de las ondas electromagnéticas dictan que el campo magnético depende de esta densidad de flujo D, que sólo depende del campo eléctrico E indirectamente, por lo que la propagación de la onda en el material depende de la fórmula concreta para su densidad de flujo D.
Cuando esta expresión es lineal, se cumple que rayos de luz se cruzan sin ningún efecto y cada cual sigue con su camino. Pero en realidad, ningún material es perfectamente lineal, sino que su comportamiento depende de la intensidad de la luz.
A muy altas intensidades, empiezan a aparecer efectos no lineales, y las cosas se ponen interesantes: se pueden conseguir efectos como duplicar o triplicar la frecuencia de la luz (en realidad es un efecto que se explota intensivamente también en electrónica).
Incluso, como se descubrió en 1962, se puede rectificar la componente eléctrica de la luz aprovechando las no linealidades de segundo orden, en algo similar a los rectificadores de diodos semiconductores para corriente alterna con el que seguro que muchos estáis familiarizados (los ya casi obsoletos transformadores): por un lado entra una «onda», con un voltaje medio de cero, y por el otro sale una corriente eléctrico con componente de continua que se puede extraer como corriente eléctrica.

Esquema de rectificador electrónico a diodos (ojo, es sólo un símil de lo que ocurre realmente dentro de materiales ópticos no lineales)
Pues bien, científicos de la universidad de Michigan han anunciado hoy que han descubierto una nueva forma de extraer electricidad a partir de la luz. En un artículo publicado hace unos días en Journal of Applied Physics titulado «Optically-induced charge separation and terahertz emission in unbiased dielectrics» (paper, no acceso libre), los científicos dicen literalmente que la componente magnética de la luz (el campo B) también genera «intensos dipolos a intensidades de luz tan bajas como 10MW/cm^2 en dieléctricos transparentes», un «descubrimiento sorprendente» que «se pasó por alto en los primeros años de estudio de óptica no linear«.
En el artículo mencionan que el fenómeno se ha estudiado tanto mediante teoría cuántica como mediante análisis numérico con teoría de perturbaciones, demostrando que la interacción de dicho campo magnético desplaza la posición media de los electrones en el átomo, generando por tanto un dipolo eléctrico estático a lo largo del eje de propagación, lo que implica que se está almacenando energía magnética en el material: el material se convierte en una «batería» cargada de energía óptica de la que se puede extraer electricidad.
Lo más interesante son los cálculos teóricos que presentan para la energía eléctrica que se puede extraer, prediciendo eficiencias máximas en la conversión desde energía óptica para distintos casos.
Para una pieza de zafiro de 4.45cm de largo en el que se enfoque 1KW de luz en un haz de 50micrometros se obtiene una eficiencia del 0.1%.
Si en cambio se usa una fibra óptica de zafiro de 10m de longitud, la eficiencia subiría hasta el 30%. Estos cálculos se cumplen para haces de luz coherentes como los de un láser.
Lo interesante para usar esta tecnología como fuente de energía es que funcione con luz no coherente como la que podría provenir del Sol. Y de hecho los autores demuestran que funcionaría, aunque a menor eficiencia. Como ejemplo, para un colector de luz de 1m de diámetro que la concentrara en una fibra de 1cm y 10m de largo, la eficiencia sería del 3%.
Los autores argumentan que el coste del sistema sería inferior a las actuales células fotoeléctricas, al reemplazar semiconductores por una «sencilla» fibra óptica.
Hasta aquí las buenas noticias. Las malas: el sistema aún no se ha probado en la práctica. Esperan informar de los primeros experimentos durante este año 2011.
Y además, la universidad de Michigan ha iniciado trámites para una patente que le asegure la propiedad intelectual.

Como no pretendo que este post explique todas las complejidades del nuevo descubrimiento, solamente me queda dirigir a los interesados que entiendan de la materia al reciente paper.
Imágenes: 1 2 3

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