lunes, 3 de marzo de 2014

Los parques eólicos marítimos podrían refrenar huracanes antes de su llegada a tierra firme

Una investigación indica que parques eólicos marítimos con miles de aerogeneradores situados en costas damnificadas por huracanes podrían haber refrenado la fuerza de tres huracanes que causaron graves daños. Esa acción protectora habría reducido de forma significativa los vientos y la marejada ciclónica que acompañaron a dichos huracanes, lo que habría implicado probablemente salvar vidas humanas e impedir daños materiales por valor de miles de millones de dólares.

Durante los últimos 24 años, Mark Z. Jacobson, profesor de ingeniería civil y medioambiental en la Universidad de Stanford en California, Estados Unidos, ha estado desarrollando un complejo modelo informático para estudiar la polución del aire, la energía, el tiempo y el clima. Una aplicación reciente de su modelo ha sido la simulación del desarrollo de huracanes. Otra ha sido determinar cuánta energía pueden extraer los aerogeneradores de las corrientes de viento globales.



A la luz de estos estudios recientes y ante las consecuencias dramáticas de los huracanes Sandy y Katrina, fue obvio para Jacobson preguntarse: ¿qué pasaría si un huracán se encontrara con un gran conjunto de aerogeneradores marítimos? ¿Se ralentizarían los vientos y menguaría el huracán por la extracción de energía debida al giro de las palas de las turbinas por parte de la tormenta, o las destruiría el huracán?

La pregunta no era fácil de responder. La fuerza de un huracán puede derribar construcciones muy robustas, sobre todo si están muy expuestas al viento, pero por otra parte la resistencia de las turbinas eólicas a fuertes vientos ha aumentado de manera notable en los últimos veinte años, gracias a desarrollos clave en su diseño impulsados por instituciones como por ejemplo el Departamento de Tecnología de Energía Eólica en los Laboratorios Nacionales estadounidenses de Sandía (SNL), o el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en el mismo país, y a expertos como Paul Veers, que fue director del citado departamento y que ahora es ingeniero jefe del Centro Nacional de Tecnología Eólica del NREL.

No es fácil robustecer las turbinas eólicas marítimas, pero se vienen registrando mejoras en este campo desde hace años. Fabricar palas de turbina más fuertes, recurriendo a avances en ciencia de los materiales, es una vía muy interesante, sobre la cual los redactores de NCYT de Amazings ya escribimos un artículo (http://www.amazings.com/ciencia/noticias/300903a.html) publicado el 30 de septiembre de 2003 y en el que también hablamos sobre Paul Veers y su ya entonces destacada labor al frente del citado Departamento de Tecnología de Energía Eólica de los Laboratorios Nacionales de Sandía.

En el nuevo estudio, Jacobson, a fin de poder responder a esa pregunta crucial de si una cantidad lo bastante grande de turbinas eólicas marinas podría refrenar un huracán sin que éste las arrollase, amplió su modelo digital y ejecutó simulaciones sobre lo podría pasar si un huracán se encontrase con un enorme parque eólico abarcando muchos kilómetros frente a la costa y dispuesto a lo largo del perímetro de ésta. Sorprendentemente, descubrió que los aerogeneradores podrían alterar lo bastante al huracán como para reducir las velocidades máximas del viento tanto como 148 kilómetros por hora (92 mph) y reducir la marejada ciclónica en hasta un 79 por ciento.

En la investigación, para la cual Jacobson contó con la ayuda de Cristina Archer y Willett Kempton de la Universidad de Delaware en Estados Unidos, se simularon tres huracanes: el Sandy y el Isaac, que golpearon Nueva York y Nueva Orleans, respectivamente, en 2012; y el Katrina, que devastó Nueva Orleans en 2005.

En el caso del Katrina, el modelo de Jacobson reveló que un parque eólico de 78.000 aerogeneradores frente a la costa de Nueva Orleans habría debilitado de forma significativa el huracán mucho antes de que tocara tierra.

En el modelo por ordenador, para cuando el huracán Katrina alcanzase tierra, las velocidades del viento simuladas habrían perdido entre 129 y 158 kilómetros por hora (80-98 millas por hora) y la marejada ciclónica se habría reducido hasta en un 79 por ciento.

Para el huracán Sandy, el modelo proyectó una reducción de la velocidad del viento de entre 35 y 39 metros por segundo (entre 78 y 87 mph) y tanto como un 34 por ciento de reducción de la marejada ciclónica.

Aunque la instalación de tantas turbinas eólicas marítimas sería muy cara, también lo es el costo de los daños materiales que provoca un huracán, por no hablar del alto riesgo de víctimas mortales si no se evacua a tiempo la zona amenazada. Por otro lado, estos inmensos parques eólicos también suministrarían una cantidad ingente de electricidad, que permitiría rentabilizar las inversiones, y además reducir las emisiones de dióxido de carbono y sustancias contaminantes de las centrales eléctricas alimentadas por energías sucias.

Una opción alternativa de protección, la de construir grandes rompeolas, podría detener una marejada ciclónica, pero según el análisis del equipo de Jacobson, no reducirían la velocidad del viento de forma sustancial. Además, fortificar de este modo el litoral tendría unos costos de construcción también caros.

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martes, 25 de febrero de 2014

Mejora espectacular de la conversión de calor en electricidad

Se ha logrado dar con un modo de mejorar radicalmente los materiales termoeléctricos, un hallazgo que podría conducir algún día al desarrollo de mejores paneles solares, aparatos de refrigeración con mayor eficiencia energética, e incluso la creación de nuevos dispositivos capaces de convertir en electricidad adicional la enorme cantidad de calor desperdiciado en las centrales eléctricas.

La nueva tecnología, basada en construir un conjunto de columnas nanométricas encima de una lámina de material termoeléctrico, representa una forma del todo nueva de abordar un problema centenario.



El efecto termoeléctrico, descubierto en el siglo XIX, consiste en la capacidad de generar una corriente eléctrica a partir de una diferencia de temperatura entre un lado de un material y el otro. Y, a la inversa, la aplicación de un voltaje eléctrico a un material termoeléctrico puede causar que un lado del material se caliente, mientras que el otro se mantiene frío, o, alternativamente, que un lado se enfríe mientras que el otro permanece caliente.

Se han empleado dispositivos que incorporan materiales termoeléctricos de las dos formas: para crear electricidad a partir de una fuente de calor, como el Sol, por ejemplo, o para enfriar instrumentos de precisión consumiendo electricidad.

Sin embargo, el uso amplio de materiales termoeléctricos se ha visto dificultado por un problema fundamental que ha mantenido ocupados a los científicos durante décadas. Los materiales que permiten a la electricidad fluir a través de ellos también hacen lo mismo con el calor. Esto significa que en cuanto una diferencia de temperatura crea un potencial eléctrico, esta diferencia empieza a disiparse, debilitando la corriente que creó.

Hasta los años 90, los científicos se enfrentaron a este problema buscando materiales con propiedades intrínsecas que permitían a la electricidad fluir más fácilmente que el calor.

La entrada en escena de la nanotecnología abrió nuevas oportunidades.

Utilizando nanotecnología, los físicos de materiales empezaron a crear barreras en materiales termoeléctricos, como agujeros o partículas, que impedían el paso del flujo de calor más que el del flujo de electricidad. Pero incluso en el mejor de los casos, el flujo de electrones, que transportan la energía eléctrica, también se veía enlentecido.

Ahora, el equipo de Mahmoud Hussein y Bruce Davis, de la Universidad de Colorado en la ciudad estadounidense de Boulder, ha demostrado que se podría usar la nanotecnología de una forma totalmente diferente para enlentecer la transferencia de calor sin afectar al movimiento de los electrones.
 
El nuevo concepto implica construir una celosía de pilares a escala nanométrica sobre una hoja de material termoeléctrico, como el silicio, para formar lo que los autores de la investigación definen como metamaterial nanofónico. El calor es transportado a través del material como un tipo de vibraciones de lo que se conoce como fonones. Los átomos que forman los pilares en miniatura también vibran en diversas frecuencias. Davis y Hussein utilizaron un modelo informático para mostrar que las vibraciones de los pilares interactuarían con las de los fonones, enlenteciendo el flujo de calor. No se espera que las vibraciones de los pilares afecten a la corriente eléctrica.

El equipo de investigación estima que los pilares a nanoescala podrían reducir a la mitad el flujo de calor a través de un material, pero la reducción podría ser significativamente mayor porque los cálculos se hicieron de manera muy conservadora, según explica Hussein.

Si, tal como parece, ésta es una vía práctica de mejorar considerablemente la conversión de energía termoeléctrica, habrá todo tipo de importantes aplicaciones prácticas. Entre ellas, se incluye la recaptura del calor residual emitido por todo tipo de equipamientos, desde ordenadores de sobremesa a centrales eléctricas, y convertir ese calor en electricidad. Sistemas termoeléctricos mejores podrían asimismo mejorar grandemente la eficiencia de los paneles solares y de los dispositivos de refrigeración.

El próximo paso para Hussein es entablar colaboraciones con colegas del departamento de física de su universidad y de otras instituciones para fabricar los pilares, a fin de que la idea pueda ser ensayada en el laboratorio.

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jueves, 13 de febrero de 2014

Un laboratorio de EE UU alcanza un nuevo hito en la fusión nuclear

La fusión nuclear, la misma que activa a las estrellas, podría ser la fuente de energía ilimitada y barata del futuro, pero para ello las centrales de este tipo (distintas a las actuales de fisión nuclear) tendrían que generar más energía de la que consumen.

Esto todavía no se ha conseguido, pero en la instalación National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory de EE UU han dado un nuevo paso. Por primera vez han logrado en una reacción de fusión liberar más energía que la que absorbe el combustible utilizado (de deuterio-tritio, dos isótopos del hidrógeno).



De momento han conseguido esta ‘ganancia’ a nivel del combustible, según publican en la revista Nature, pero el gran reto es obtenerla para todo el sistema, de tal forma que la energía total que entre sea superada por la producida.

"Realmente es emocionante ver cómo de forma sostenida aumenta la contribución a la producción del proceso, aunque queda trabajo por hacer y problemas de física que necesitan ser abordados antes de que lleguemos al final", comenta el primer autor del trabajo, Omar Hurricane. 

Para realizar este experimento se ha empleado el método del confinamiento inercial –a diferencia de otras instituciones, como el ITER, donde se opta por el confinamiento magnético–. En esta técnica los científicos estadounidenses emplean 192 láseres para calentar y comprimir las pequeñas pastillas de combustible, hasta que implosionan.

De esta forma se genera el plasma y la energía, y en esta ocasión el rendimiento de las reacciones ha sido alrededor de diez veces superior al conseguido en otros experimentos anteriores. (Fuente: SINC)
 

martes, 4 de febrero de 2014

El nuevo robot humanoide REEM-C

La empresa PAL Robotics ha presentado su nuevo robot bípedo humanoide REEM-C. Del tamaño de una persona adulta, con 1,65 metros de altura y 80 kilos de peso, es capaz de levantar y transportar hasta 10 kilos, lo que lo convierte en el más robusto de su categoría.

El robot reconoce el entorno en el que se encuentra, a las personas que lo rodean y objetos a su alcance. Puede permanecer operativo durante 6h y en completo movimiento durante 3h gracias a su sistema de baterías. Su software está completamente basado en ROS (Robot Operating System), el framework que ha revolucionado el mundo de la robótica simplificando la programación de los robots y la colaboración entre los investigadores.



REEM-C es un producto que se ha desarrollado para promover y colaborar en el campo de la investigación científica enfocada en la robótica, convirtiéndose así en una plataforma de investigación y desarrollo tanto para universidades como para laboratorios. Sus características técnicas (capacidad de manipular objetos, reconocimiento de voz, e interacción con los humanos) y su sofisticado y atractivo diseño, le permiten realizar además actividades de tipo educacional y de entretenimiento.

Cabe resaltar que el REEM-C es uno de los pocos robots bípedos humanoides de estas características que se comercializan hoy en día en el mercado de la robótica mundial.

PAL Robotics es una empresa de robótica de I + D con un equipo internacional con sede en Barcelona (España), vinculado a “PAL Group” de los Emiratos Árabes Unidos. El origen de la empresa se remonta a 2004, cuando cuatro ingenieros comenzaron a desarrollar su primer robot humanoide REEM-A, capaz de caminar y jugar al ajedrez.

Después del REEM-A la empresa desarrolló un segundo robot humanoide bípedo llamado REEM-B, que recibió el reconocimiento mundial como uno de los robots humanoides más avanzados. Respaldado por el éxito de los prototipos anteriores, PAL Robotics comenzó la comercialización del REEM-H, una plataforma de investigación y robot de servicio a la vez, para trabajar como guía y recepcionista en centros comerciales, centros de exposiciones, museos, aeropuertos, etc. (Fuente: PAL Robotics)

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Manipular luz y sonido mediante materiales flexibles

Ciertos materiales flexibles, estructurados en capas y con arrugas nanométricas, podrían brindar un nuevo modo de controlar la longitud y distribución de ondas, sean sonoras o luminosas. A la postre, esto podría encontrar aplicaciones que van desde métodos no destructivos de poner a prueba materiales, hasta cancelación de ruido, y también podría proporcionar nuevos y reveladores datos sobre estructuras biológicas blandas y posiblemente conducir a nuevas herramientas de diagnóstico.



Aunque ya se sabe que las propiedades de los materiales afectan a la propagación de la luz y del sonido, en la mayoría de los casos estas propiedades son fijas y difíciles de modificar una vez que el material ha sido creado. Sin embargo, en estos materiales estructurados en capas, cambiar las propiedades (por ejemplo, "ajustar" un material para que filtre colores específicos de la luz) puede ser tan simple como estirar un material flexible.

Éste es el enfoque de diseño que ha adoptado el equipo de Stephan Rudykh del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en la ciudad estadounidense de Cambridge, y Mary Boyce, ahora en la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York.

Estos científicos han comprobado que dichos efectos en sus nuevos materiales son altamente ajustables, reversibles y controlables. Por ejemplo, se puede cambiar el color del material, e incluso sería factible hacer que fuera óptica o acústicamente invisible.

En el par de imágenes de arriba, casi no son afectadas las ondas sonoras -bandas azules y amarillas- que atraviesan un material con superficie plana y estructurado en capas. En las imágenes de abajo, cuando el sonido atraviesa un material estructurado en capas y con arrugas especiales, ciertas frecuencias de sonido son bloqueadas y filtradas por el material. (Imagen: Felice Frankel)

Es posible fabricar estos materiales mediante un proceso de deposición capa a capa, que puede ser controlado con alta precisión. El proceso permite controlar el grosor de cada capa hasta en una fracción de una longitud de onda de luz. El material luego es comprimido, creando en su interior una serie de arrugas precisas cuya distancia de separación puede causar la dispersión en las frecuencias seleccionadas de las ondas (sean sonoras o luminosas).
Diseñando esa microestructura de forma que se obtenga el conjunto deseado de efectos, y luego alterando esas propiedades al deformar el material, es posible controlar estos efectos mediante estímulos externos.

Muchas son las aplicaciones potenciales de esta nueva tecnología.

La más obvia es la "invisibilidad acústica", una forma avanzada de cancelación de ruido con la que se podrían bloquear completamente sonidos provenientes de cierto volumen del espacio, en vez de un solo punto, como en los actuales auriculares para cancelación de ruido.

Otro campo de aplicación estaría en la propagación de los ultrasonidos a través de tejidos biológicos. Las técnicas de diagnosis por escaneo ultrasónico han avanzado mucho en los últimos años, pero aún carecen de la suficiente resolución para reemplazar a métodos de diagnóstico más invasivos y aparatosos. La vía abierta con la nueva tecnología podría conducir a un control más preciso de estas ondas de ultrasonido, y por tanto a sistemas con mejor resolución.

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jueves, 30 de enero de 2014

Detalles reveladores sobre las estructuras minerales a las que se enlaza el CO2

Las emisiones globales de dióxido de carbono (CO2) continúan subiendo. Se estima que solo en 2012, 35.700 millones de toneladas de este gas de efecto invernadero se incorporaron a la atmósfera. Una parte de este CO2 es absorbido por los océanos, otra por los vegetales y otra por el suelo, de tal modo que representan algo así como almacenes de carbono, cada uno con sus características propias de funcionamiento, y donde el CO2 queda inmovilizado, mitigándose así un poco el incremento de las concentraciones atmosféricas de este gas.

Unos científicos han descubierto ahora cómo exactamente funciona este mecanismo de almacenamiento de carbono orgánico en el almacén del suelo. Básicamente, el carbono sólo se enlaza químicamente a ciertas estructuras moleculares existentes en el suelo, y no a otras que se creía que también lo permitían. Esto significa que la capacidad de los suelos para absorber CO2 necesita ser reevaluada e incorporada con su verdadera gama de características en los modelos climáticos empleados en la actualidad.

Algunos estudios anteriores establecieron que el carbono se enlaza a las partículas minerales de diminuto tamaño. En este último estudio, unos investigadores de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) y el Centro Helmholtz de Múnich, ambas instituciones en Alemania, han demostrado que la superficie de los minerales ejerce un papel tan importante como su tamaño. El carbono se enlaza a partículas minerales que tienen un tamaño del orden de las milésimas de milímetro, y se acumula allí solo en superficies rugosas y angulosas.

Se asume que las superficies minerales rugosas brindan un hábitat atractivo para los microbios. Éstos transforman el carbono y contribuyen a enlazarlo a los minerales. El equipo de la profesora Ingrid Kögel-Knabner, catedrática de ciencias del suelo en la Universidad Técnica de Múnich, descubrió concentraciones tan altas de carbono en puntos muy específicos de parcelas de suelo, que tales sitios merecen ser llamados "puntos calientes". Además, en dichos puntos sigue acumulándose más carbono.



El carbono tiene la tendencia a enlazarse a superficies minerales bastante específicas, caracterizadas entre otras cosas, por resultar rugosas. En la imagen, los puntos de una estructura mineral en los que más tiende a acumularse el CO2 están señalados en amarillo. (Imagen: © C. Vogel / TUM)
Estos puntos calientes de carbono solo se pueden encontrar en cerca de un 20 por ciento de las superficies minerales. Antes se asumía que, aparte de por las características básicas que determinan la absorción de carbono en suelos, éste se distribuía de manera homogénea en el suelo.

Gracias al estudio realizado por el equipo de Kögel-Knabner y Cordula Vogel, ahora es posible identificar con total precisión y certeza el suelo que es especialmente bueno para almacenar en él, mediante procesos artificiales de inyección, CO2 que de otro modo podría acabar en la atmósfera. Esta estrategia de almacenar CO2 por vía artificial en un medio natural en el que se supone que permanecerá inmovilizado se conoce como secuestro de carbono. Es prometedora como forma bastante expeditiva para mitigar a corto plazo el problema de la creciente concentración de CO2 en la atmósfera, pero todavía hay muchas dudas con respecto a la seguridad y la eficacia de esa estrategia, por lo que existe en la comunidad científica y en la opinión pública un debate muy acalorado sobre el tema.

En el estudio también han intervenido Carsten W. Müller, Carmen Höschen, Franz Buegger, Katja Heister, Stefanie Schulz y Michael Schloter.

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El primer mapa del tiempo de una enana marrón

El telescopio VLT (Very Large Telescope) de ESO ha sido el instrumento utilizado para crear el primer mapa del tiempo de la superficie de la enana marrón más cercana a la Tierra. Un equipo internacional ha hecho un mapa de las zonas claras y oscuras en WISE J104915.57-531906.1B, conocido comúnmente como Luhman 16B, una de las dos enanas marrones descubiertas recientemente que forman pareja y que se encuentra a tan solo seis años luz del Sol. Los nuevos resultados se publican el 30 de enero de 2014 en la revista Nature.



Las enanas marrones son el eslabón entre los planetas gigantes gaseosos, como Júpiter y Saturno, y las estrellas frías débiles. No contienen la suficiente masa como para iniciar fusiones nucleares en su interior y solo pueden brillar débilmente en longitudes de onda infrarrojas de la luz. La existencia de la primera enana marrón se confirmó hace tan solo veinte años y solo se conocen unos pocos cientos de estos elusivos objetos.

Las enanas marrones más cercanas al Sistema Solar forman una pareja llamada Luhman 16AB y se encuentran a tan solo seis años luz de distancia de la Tierra, en la constelación austral de La Vela. Esta pareja es el tercer sistema más cercano a la Tierra después de Alfa Centauri y de la Estrella de Barnard, pero fue descubierta a principios de 2013. Se ha descubierto que el componente más débil, Luhman 16B, cambia ligeramente su brillo cada pocas horas a medida que rota — una clave que indica que puede tener marcadas características en su superficie.

Ahora los astrónomos han utilizado la potencia del telescopio VLT (Very Large Telescope) de ESO, no solo para obtener imágenes de estas enanas marrones, sino para establecer las zonas de luz y oscuridad en la superficie de Luhman 16B.

Ian Crossfield (del Instituto Max Planck de Astronomía, Heidelberg, Alemania), autor principal de este nuevo artículo, resume los resultados: “Observaciones previas sugerían que las enanas marrones pueden tener superficies moteadas, pero ahora podemos hacer un mapa. Pronto seremos capaces de ver cómo se forman los patrones de nubes, cómo evolucionan y se disipan en esta enana marrón — por último, los exometeorólogos podrán predecir si un visitante de Luhman 16B tendrá cielos cubiertos o despejados”.

Para hacer este mapa de la superficie los astrónomos utilizaron una ingeniosa técnica. Observaron las enanas marrones con el instrumento CRIRES del VLT. Esto les permitió no solo ver los cambios en el brillo a medida que Luhman 16B rotaba, sino que además pudieron ver si las zonas oscuras o iluminadas se movían desde o hacia el observador. Combinando toda esta información pudieron recrear un mapa de las áreas claras y oscuras de la superficie.

Las atmósferas de las enanas marrones son muy similares a las de los calientes exoplanetas gaseosos gigantes, por lo que estudiando a modo comparativo las enanas marrones más accesibles los astrónomos pueden aprender más sobre las atmósferas de planetas gigantes jóvenes — muchos de los cuales se descubrirán en un futuro cercano gracias al nuevo instrumento SPHERE que se instalará en el telescopio VLT en el 2014.

Crossfield termina con un comentario personal: “Nuestro mapa de esta enana marrón nos acerca un paso más a la meta de conocer los patrones climáticos en otros sistemas solares. Desde muy pequeño me enseñaron a apreciar la belleza y la utilidad de los mapas. ¡Es emocionante que estemos empezando a hacer mapas de objetos que están fuera de nuestro Sistema Solar!”.