Los físicos quieren hacer pasar la luz del sol a través de un pequeño motor

La mayor parte de la energía solar se disipa en forma de calor. Los paneles convierten una fracción; el resto se disipa. Los físicos del Trinity College Dublin creen que falta un paso en ese proceso. ¿Qué pasaría si pudiéramos reorganizar la luz del sol antes de intentar cosecharla?

Su trabajo teórico, publicado en Physical Review A, propone tratar una trampa de luz microscópica como un motor térmico. El combustible: fotones ordinarios y desordenados del sol o un LED. El resultado: un rayo estrecho similar a un láser que es mucho más fácil de convertir en electricidad.

Canicas en una pila

El concepto se basa en la condensación de fotones. Atrapan la luz dentro de una pequeña cavidad llena de moléculas de tinte y, bajo ciertas condiciones, los fotones dejan de actuar de forma independiente. Se agrupan, perdiendo sus longitudes de onda y direcciones individuales para formar un haz coherente de un solo color.

Experimentos anteriores necesitaban láseres para provocar este efecto. Entrada ordenada, salida ordenada. El equipo de Dublín sostiene que ese no es un requisito fundamental.

Modelaron la cavidad como un motor térmico de tres partes. La luz entrante sirve como depósito caliente. La mezcla de tinte y disolvente actúa como baño frío. Los fotones que rebotan entre ellos son el medio de trabajo. Cuando las matemáticas salen bien, la condensación ocurre sólo si el equilibrio de entropía satisface la segunda ley de la termodinámica.

“Modelamos el comportamiento de dispositivos que atrapan la luz en una pequeña región del espacio y descubrimos que este comportamiento está relacionado con las propiedades generales de los motores térmicos: máquinas que convierten la energía desorganizada, que los físicos llamamos ‘calor’, en una forma útil, que llamamos ‘trabajo'”, explica Paul Eastham.

Eastham, profesor asociado de Naughton en la Escuela de Física de Trinity, formula el hallazgo en términos familiares. No puedes reunir canicas esparcidas en una pila ordenada de forma gratuita. La termodinámica exige un costo. Pero la luz solar, con una temperatura efectiva de alrededor de 6.000 K, paga ese coste cómodamente.

En casos ideales, el umbral corresponde a un motor térmico perfectamente reversible. Los físicos llaman a esto el límite de Carnot. Es el estándar de oro teórico, la máxima eficiencia permitida por las leyes de la física.

Lo que viene después es más difícil

El umbral de condensación con luz térmica es ligeramente más alto que con la entrada láser. Todavía dentro de rangos realistas, según los investigadores. Esa es la afirmación teórica, de todos modos.

La confirmación de laboratorio es otra cuestión. Nadie ha demostrado la condensación de fotones a partir de luz incoherente de banda ancha. El análisis del equipo sugiere que debería funcionar si la microcavidad está diseñada correctamente. Debería.

La primera autora, Luísa Toledo Tude, enmarca cuidadosamente la posible aplicación. El objetivo no es utilizar la luz condensada directamente. Es para facilitar la conversión posterior.

“El objetivo principal de estos dispositivos ópticos sería producir energía ‘útil’, que saldría en forma de luz similar a un láser. En términos relativos, esto es fácil de convertir a otras formas, y cualquier aplicación implicaría hacerlo”, afirma.

Combine uno de estos dispositivos con una célula solar convencional y obtendrá un sistema de dos etapas. La luz del sol entra como una mezcla confusa de longitudes de onda y direcciones. Sale como un haz estrecho sintonizado para una conversión eléctrica eficiente. Sigue siendo una cuestión abierta si la complejidad añadida vale la pena en la práctica.

El estudio replantea un problema de larga data. En lugar de exprimir ganancias incrementales de los materiales fotovoltaicos existentes, se pregunta si la propia luz puede preprocesarse utilizando los mismos principios termodinámicos que rigen las máquinas de vapor, los refrigeradores y las centrales eléctricas.

Los dispositivos prácticos siguen siendo una perspectiva a largo plazo. Pero si la teoría sobrevive a las pruebas experimentales, podría abrir nuevas direcciones para la recolección de energía, la generación de luz coherente y experimentos que exploren los límites de la termodinámica cuántica. El siguiente paso es conseguir que los fotones cooperen en un laboratorio, no sólo en papel.

DOI: 10.1103/6lyv-trfj