martes, 11 de marzo de 2008

Energía Almacenada


Hace unas semanas escribí un artículo donde explicaba el concepto de Breakthrough, que corresponde a un "avance disruptivo" y que impacta múltiples dimensiones de la sociedad. Un breakthrough generalmente inicia con un descubrimiento científico, el cual se aplica a través de la Ingeniería y redunda en aplicaciones y dispositivos tecnológicos.

En este artículo, explicaremos un nuevo Breakthrough, anunciado hace muy poco (Diciembre del 2007), y que provocará grandes cambios en nuestra sociedad en los próximos años: la revolución en el almacenamiento de la energía.

Más por menos

Gordon E. Moore, uno de los fundadores de Intel, planteó a fines de la década del '60 la llamada Ley Empírica de Moore y que es de amplia divulgación. Este principio define que en un período aproximado de 18 meses, las capacidades de cómputo se duplican, lo cual a su vez provoca un decaimiento de precios. A pesar de que el propio Moore indicó que su principio tendría una duración máxima de 15 años, los avances en los modelos de computación molecular y nanotecnología predicen que, al menos por un tiempo más, seguirá vigente.

Esto lo vemos quienes tenemos una relación profesional (y por ende más estrecha) con la tecnología, en diferentes dimensiones. Pero siendo mucho más importante, los "usuarios tradicionales" lo perciben en sus compras de dispositivos tecnológicos para uso diario, siendo su expectativa permanente: obtener cada vez más por menos.

Las partes y piezas por separado

En términos generales, cualquier dispositivo electrónico (incluyendo aquellos que caen en el ámbito de la "electrónica de consumo") poseen un conjunto de elementos comunes:
  • Un dispositivo de despliegue: la pantalla
  • Un dispositivo de cálculo: el procesador
  • Almacenamiento temporal: la "memoria"
  • Almacenamiento permanente: el "disco"
  • Un dispositivo de "comunicaciones" o "conectividad": la conexión a una red
  • Una fuente de energía: la "batería"
Los avances en diversas tecnologías y especialmente los nuevos requerimientos de "un planeta cada vez más móvil", han incorporado mejoras importantes en cada uno de los ámbitos indicados, pero siempre manteniendo una "deuda pendiente": La fuente de energía.

Ejemplos de avances y el estado del arte

Dadas esas dimensiones, podemos hacer un breve resumen de los avances en cada ámbito, incluyendo las últimas tecnologías en uso, o que se encuentran en un estadio de desarrollo próximo a su masificación:
  • Despliegue: el antiguo CRT (los "televisores gordos y pesados" que conectábamos al computador) y las pantallas de cristal líquido, han dado paso a las pantallas LCD, y próximamente, a pantallas con propiedades fisico-químicas estables de bajo consumo. Para el despliegue estático, nuevas tecnologías con propiedades físico químicas estables, prácticamente no requieren alimentación externa, como en los casos de e-ink y e-paper (Wow!)

  • Cálculo: Procesadores con capacidad dual (incluso polimorfos, como los desarrollos de Transmeta, a pesar de que el impacto ha sido menor al hype inicial) basados en silicio, darán paso a nuevas arquitecturas de procesadores moleculares basados en nanotecnología

  • Almacenamiento temporal: la "memoria RAM" tradicional da paso a las nuevas generaciones de memorias de alta velocidad y bajo consumo

  • Almacenamiento permanente: el "disco rígido" tradicional y los CDs/DVDs dan paso a nuevos formatos multicapa y de alta densidad como Blu-Ray (el nuevo campeón en la liga de los estándares). La masificación de las memorias de estado sólido tipo FlashRAM permiten nuevos mecanismos de almacenamiento personal como los Pendrive, MP3s, MP4s y similares, dando muerte definitiva a los "viejos dispositivos" de almacenamiento como los diskettes. En la práctica, hoy para muchos dispositivos el concepto de "memoria" y "almacenamiento" se funden en un solo concepto: "Capacidad de recordar y procesar"

  • "Comunicaciones" o "Conectividad": la conexión física tradicional enfrenta (y en muchos casos se rinde) frente los modelos de "PicoRedes" (Bluetooth o estándares de proximidad como MiFare), conexión Inalámbrica (WiFi, 3G, WiMax) o incluso modelos híbridos como las redes Mesh

  • Energía: las baterías ... bueno ... en realidad, las baterías hoy duran un poco más y son un poco más livianas, y puedo andar con una de repuesto en el bolso, pero ... ¿Qué avance real hay aquí? Duh. No encontramos. De hecho, no sé que es más pesado: si la cámara digital o la media docena de pilas AA recargables adicionales de repuesto para poder registrar las vacaciones en la playa. :-?
Las baterías (o los mecanismos de almacenamiento de energía), en estricto rigor, no han tenido un avance importante desde fines de los '80. O sea, ahí hay una "deuda pendiente" (o más bien existía).

Si bien hoy disponemos de un avance importante en términos de la "autonomía", dichos avances no han sido consecuencia de grandes avances en el almacenamiento de energía. Principalmente, la autonomía responde a que gran parte de los "otros" dispositivos han sido optimizados para disminuir al máximo el consumo y las potenciales pérdidas de energía.

Y claro. Hoy puedo escribir este artículo desde mi notebook en la terraza de mi casa, leyendo y respondiendo correos y viendo en línea un programa de TV con streaming IP, pero estoy resignado a disponer de un máximo de 3 horas de autonomía con mi notebook, tener que cargar mi celular como máximo cada 2 días o recordarme de recargar mi MP4 después de disfrutar de algunas horas de música.

El modelo de las baterías Li-ion

Hoy en día, en los aparatos electrónicos utilizamos principalmente un modelo de almacenamiento de energía en baterías, basado en procesos físico químicos asociados al uso del Litio (proceso conocido como Litio-ion, o en forma reducida, Li-ion).

El principal material que se usa para el ánodo es carbono, el cual al momento de la carga, "absorbe" átomos cargados positivamente de Litio, "liberando" electrones durante la descarga (proceso que sigue cualquier batería).

Podemos ver un hermoso esquema (tomado de Cienciateca) que explica el funcionamiento acá.



Históricamente se sabe que un ánodo de silicio tiene una capacidad de absorción de Litio muy superior a un ánodo de carbono, lo cual redundaría en una mayor capacidad de acumulación.

El problema principal: las microfracturas del silicio. Este proceso (de carga y descarga permanente) provoca que el silicio en sus estructuras comunes, sufra un proceso de "pulverización gradual" que a la larga, hace la capacidad real de acumulación de la batería se pierda en forma muy rápida. Además, las "formas" del silicio (típicamente "marañas de cabello") hace que la capacidad de transferencia de electrones (o sea, la estabilidad de la carga entregada) sea muy dispareja.

Nanotecnología en acción

Y aquí viene el breakthrough. El equipo de trabajo en Nanomateriales de Yi Cui en la Universidad de Stanford, publicó en Diciembre del 2007 en la revista Nature Nanotechnology, un paper revolucionario donde describe un nuevo método: Pequeños nanotubos de silicio que actúan como ánodos en una batería de Litio, resolviendo los dos problemas principales: las microfracturas y el contacto. El Press Release que anuncia este avance lo pueden encontrar acá.

En la imagen inferior (fotos tomadas a la misma escala) podemos ver cómo los nanotubos de silicio "engordan" producto de la acumulación de energía (al absorber los iones de Li). Impresionante.




Las características de un nanotubo permiten expansión y contracción sin afectar su estructura, manteniendo la alta capacidad de absorción de litio, por lo cual estas baterías tienen una capacidad de acumulación de energía 10 veces superior a los sistemas actuales y una vida media mucho mayor.

Con esto, se paga la deuda pendiente que indicamos al inicio de este artículo.

En este diagrama, podemos ver el esquema tradicional de conectividad con la superficie de contacto y el ordenamiento que se establece a través de los nanotubos, siendo el resultado principal del trabajo del equipo de Stanford, quienes ya se encuentran en proceso de establecer acuerdos para iniciar la fabricación en serie.

Uf! Este no es un ámbito de mi especialidad, por lo cual agradeceré cualquier corrección (asumiendo que es un artículo de divulgación) y he incorporado los vínculos para quienes quieran profundizar en el tema.

Lo que provocará

Y claro. Ahora es cosa de echar a andar la imaginación. ¿Qué podremos hacer con una autonomía 10 veces superior a la actual para nuestros artículos electrónicos? ¿Qué nuevos trabajos u oficios podrán crearse? Los autos eléctricos serán accequibles y tendrán una vida útil mayor. Se disminuirá la emisión de residuos altamente contaminantes por desecho de baterías. Será más factible disponer de generadores de energía "limpia" (paneles solares o generación eólica) para uso doméstico. ¿Se podrá "transportar" energía en forma física? (algo así como "camiones aljibe" de energía).

En fin. Es cosa de imaginar y buscar oportunidades.

Stay Tuned!




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