Los drones volarán por días con nuevo motor fotovoltaico

La termofotovoltaica es compacta y extremadamente eficiente para una amplia gama de aplicaciones

Investigadores de UC Berkeley acaban de romper otro récord en eficiencia fotovoltaica, un logro que podría llevar a un motor ultraligero que puede alimentar drones durante días.

Durante los últimos 15 años la eficiencia de convertir el calor en electricidad con técnicas termofotovoltaicas se ha estancado en un 23 por ciento. Pero una innovadora visión física ha permitido a los investigadores elevar esta eficiencia al 29 por ciento. Usando un novedoso diseño, los investigadores pretenden ahora alcanzar una eficiencia del 50 por ciento en el futuro cercano mediante la aplicación de conceptos científicos bien establecidos.

Este avance tiene grandes implicaciones para las tecnologías que actualmente dependen de pesadas baterías para obtener energía. La termofotovoltaica es una fuente de energía alternativa ultraligera que podría permitir que los drones y otros vehículos aéreos no tripulados operen continuamente durante días. También podría utilizarse para alimentar sondas de espacio profundo durante siglos y, finalmente, una casa entera con un generador del tamaño de un sobre.

"La termofotovoltaica es compacta y extremadamente eficiente para una amplia gama de aplicaciones, desde aquellas que requieren tan solo 100 vatios [como un liviano vehículo aéreo no tripulado, hasta 100 megavatios, [que proporciona] electricidad para 36.000 hogares. En comparación, un La central de ciclo combinado de 100 megavatios es masiva", dijo Eli Yablonovitch, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación (EECS) y co-autor del artículo.

Según Yablonovitch, este hallazgo se basa en el trabajo que él y los estudiantes publicaron en 2011, que descubrió que la clave para aumentar la eficiencia de las células solares no era absorber más fotones (luz) sino emitirlos. Al agregar un espejo altamente reflectante en la parte posterior de una célula fotovoltaica, rompieron los récords de eficiencia en el momento y continuaron haciéndolo con investigaciones posteriores.

Imagen: Cinta de grafito (barra brillante) que calienta la celda termofotovoltaica que se encuentra debajo. (Foto por Luis M. Pazos Outnn, UC Berkeley)

"Lo que hace el espejo es crear un denso gas fotónico luminiscente infrarrojo dentro de la célula solar, un fenómeno que agrega voltaje", dijo Yablonovitch.

Recientemente su equipo reconoció que este espejo podría cumplir una doble función. De hecho, resuelve uno de los mayores desafíos termofotovoltaicos: cómo explotar los fotones térmicos (calor) que tienen muy poca energía para producir electricidad. Resulta que el espejo puede reflejar esos pequeños fotones para recalentar la fuente térmica, lo que brinda una segunda oportunidad para que se cree un fotón de alta energía y se genere electricidad. Este fenómeno lleva a una eficiencia sin precedentes.

"Hemos logrado este resultado récord a pesar de que solo estamos usando un simple espejo de oro. Ahora, agregaremos una capa dieléctrica por encima del oro, y eso mejorará nuestra eficiencia al 36 por ciento", dijo Luis M. Pazos, un investigador postdoctoral en EECS y uno de los autores principales del artículo.

"Solo al aumentar la reflectividad, obtendremos un 36 por ciento de eficiencia. Pero al hacer otros ajustes a la célula, usando técnicas probadas en la literatura científica, sabemos que podemos lograr un 50 por ciento de eficiencia", dijo Zunaid Omair, un investigador de posgrado en EECS y primer autor del artículo. "Antes de nuestro resultado, la eficiencia termofotovoltaica se había estancado en un 23 por ciento durante mucho tiempo, por lo que obtener de un 23 a un 29 por ciento es realmente un gran avance".

El trabajo se describió en un artículo publicado esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences: Ultraefficient thermophotovoltaic power conversion by band-edge spectral filtering