NANOTECNOLOGÍA Y CONVERSIÓN ENERGÉTICA:

RETOS Y OPORTUNIDADES

Víctor Manuel Castaño Meneses Ingeniero Físico y Doctor en Ciencias

Noviembre 3, 2011

CONTENIDO

 Introducción  Energía: el futuro nos ha alcanzado  La Nanotecnología: una perspectiva desde la

Ingeniería  Nanotecnología y energía  Conclusiones

 LA ERA DE LA NANOTECNOLOGÍA

 Una unidad de medida longitudinal, como pulgada, pie, metro…

 Un nanómetro (nm) es una mil millonésima parte de un metro

(1 nm = 1x10-9 m).

Diámetro de un cabello = 100, 000 nm

 El poder manipular átomos, moléculas a escala nanométrica y arreglarlos de la forma que deseemos puede facilitar la creación de estructuras complejas “al precio de los vegetales”

 Las propiedades ópticas, electrónicas, magnéticas y térmicas de las nanopartículas dependen del tamaño, forma, composición, distancia inter-partícula, y el ambiente que las rodea

Area superficial con relación a la masa  Material: oro

 Cubo de 1 x 1 x 1 cm  V = 1 cm3

 Masa = 19.3 g  area superficial = 6 cm2

 Nanocubos de 10x10x10 nm  No. de cubos = 1 x 1018 cubos  V = 1000 nm3

 area superficial por cubo = 600 nm2

 area superficial total = 6 x 1020 nm2 = = 6 000 000 cm2

  Reactividad química   Temperatura de fusión menor   Parámetro de red menor   No. de átomos superficiales mayor   Mayor superficie de contacto   Solubilidad   Efectos cuánticos   Propiedades ópticas

  Manipulación de la propiedades superficiales:   Diagnóstico   Tratamientro enfermedades   Alimentación

 Energía

Nanotecnología y celdas solares •  Fundamentos de celdas fotovoltáicas

a.  Encapsulado    b.  Rejilla  de  contacto    c.  Recubrimiento  an4reflejante    d.  Silicio  4po  N    e.  Silicio  4po  P    

La nanotecnología y la energía solar  El problema principal con la tecnología actual es su

baja eficiencia  Aún las más avanzadas celdas sólo pueden convertir,

como máximo, entre el 10 y el 30 % de toda la energía solar que les llega

 El uso de materiales renovables (pigmentos de plantas) permitiría incrementar el cociente costo/eficiencia: nanoceldas Gratzel

Celdas fotovoltáicas sensibilizadas con pigmentos de plantas mexicanas y con recubrimientos de nanotubos

Problemas de la ingeniería de las nanoceldas

Capa de titania demasiado delgada

 Espaciadores demasiado gruesos

Capa  de  4tania  

espaciadores  

Nanotecnología aumenta la eficiencia

 Nanocristales  Más electrones – 3 a 1  Más energía

Celda  normal   Nanocelda  

nanoMejora de las propiedades de absorción

 Nanoantenas  Uso de sistemas a partir del DNA  Incremento en la absorción de fotones

Temas de R&D e nanoceldas

•  Eficiencia del 6% de celdas de plástico –  Ventajas de fotoceldas plásticas

•  Flexibles •  Enrollables •  Uso doméstico (bajo costo)

•  Aplicaciones en curso –  Techos –  Automóviles –  Militares

Nanotecnología en baterías

Estructura  básica  de  una  batería  moderna  

Nano posibilidades

•  Mayor duración –  20+ años

•  Recarga más rápida –  minutos

•  Temperaturasde operación –  de -50°C a +75°C

•  Mayor potencia –  4 veces la de las de litio

Producción de hidrógeno  Problemas con los métodos actuales

 Electrólisis  Uso de electricidad que proviene de la quema de

combustibles fósiles –

 Reforma por vapor  Crea mucho monóxido de carbono

 Nanotubos de titania para fotocatálisis del agua

Producción de hidrógeno

nanoAlmacenamiento de Hidrógeno

 En sistemas nanoporosos que permiten prototipos con autonomía de varios cientos de km

NANOFUEL

 Nanogotas de agua en gasolinas comerciales: hasta 40% de agua y octanaje de 200

 Menor costo  Menos contaminación

Conclusiones  El futuro nos ha alcanzado  Necesidad de una revolución energética:

 Políticas públicas  Nuevas tecnologías  Nanotecnología ofrece oportunidades históricas

a la Ingeniería Mexicana