La Escasez de Tierras Raras y los Imanes Permanentes en Coches Eléctricos: ¿Cuál es la Solución?

Alternativas a los Imanes de Tierras Raras en Coches Eléctricos: La Respuesta a la Escasez

En el mundo de la movilidad eléctrica, los motores con imanes permanentes son fundamentales debido a su alta eficiencia y rendimiento. Sin embargo, la producción de estos imanes depende en gran medida de las tierras raras, un grupo de elementos químicos escasos y difíciles de obtener. A pesar de la creciente escasez y los problemas ambientales asociados con la minería de tierras raras, los fabricantes de coches eléctricos siguen optando por estos motores. Este artículo explora las razones detrás de esta elección y examina posibles soluciones para reducir o eliminar la dependencia de tierras raras en la fabricación de imanes permanentes.

Importancia de los Imanes Permanentes en Coches Eléctricos

Los imanes permanentes, especialmente los de neodimio, son cruciales para los motores eléctricos de los coches debido a varias ventajas clave. Estos motores ofrecen una alta densidad de potencia, lo que significa que pueden generar mucha fuerza en un espacio relativamente pequeño. Además, son altamente eficientes, lo que se traduce en menor consumo de energía y mayor autonomía para los vehículos eléctricos. Estas características hacen que los imanes permanentes sean la opción preferida para muchos fabricantes de coches eléctricos.

Otra razón por la que los fabricantes insisten en utilizar motores con imanes permanentes es la reducción de costos a largo plazo. Aunque los imanes permanentes pueden ser caros debido al precio de las tierras raras, su eficiencia energética y durabilidad pueden compensar los costos iniciales elevados. Esto es especialmente importante en un mercado donde la competencia es feroz y la eficiencia es un factor crucial para atraer a los consumidores.

Problema de la Escasez de Tierras Raras

Las tierras raras son un grupo de 17 elementos químicos que, a pesar de su nombre, no son necesariamente escasos en la corteza terrestre. Sin embargo, su extracción y procesamiento son complejos y costosos, lo que las hace relativamente escasas en términos económicos. El neodimio y el disprosio, dos tierras raras críticas para los imanes permanentes, son especialmente difíciles de obtener.

La minería de tierras raras tiene un impacto ambiental significativo. El proceso de extracción genera grandes cantidades de residuos tóxicos y puede causar contaminación del suelo y el agua. Además, la mayoría de las tierras raras se extraen en China, lo que crea una dependencia geopolítica y económica que puede ser problemática para los fabricantes de coches eléctricos en otros países. Se ha experimentado también una volatilidad de precios en estos materiales principales de los imanes de motores eléctricos. Según IDTech más del 77% del mercado de coches eléctricos se ha mantenido gracias a los imanes de tierras raras de los imanes de motores durante los últimos 9 años.

La escasez de tierras raras y las preocupaciones ambientales y geopolíticas asociadas han llevado a una creciente demanda de soluciones alternativas que puedan reducir o eliminar la dependencia de estos elementos en la fabricación de imanes permanentes. Sin embrago a pesar de que se prevé que se reduzca el la implementación de motores con tierras raras para 2034, la mayoría de fabricantes seguirán empleando motores con imanes permanentes.

Además en contraposición, desde el 2022 los costes de las tierras raras tiende a estabilizarse, volviendo a continuar de alguna forma como una alternativa muy adecuada y rediciendo de alguna forma la urgencia por implementar otras alternativas a estas.

Soluciones y Alternativas

Para abordar el problema de la escasez de tierras raras, los investigadores y fabricantes están explorando varias alternativas innovadoras. Una de las soluciones más prometedoras es el desarrollo de motores eléctricos que no requieren imanes permanentes. Estos motores, conocidos como motores de inducción o motores sincrónicos de reluctancia, utilizan diferentes principios electromagnéticos para generar movimiento, eliminando así la necesidad de tierras raras.

Los motores de inducción, por ejemplo, no dependen de imanes permanentes y son una tecnología probada que ya se utiliza en algunos coches eléctricos, como el Tesla Model S. Aunque estos motores pueden ser menos eficientes (requieren excitación externa) que los motores con imanes permanentes, las mejoras continuas en su diseño y tecnología están cerrando esta brecha de eficiencia. Otros ejemplos de la utilización de motores síncronos son Renault en su modelo Zoe, así también como BMW. Los motores síncronos también son más caros de fabricar.

Otra solución es la investigación y desarrollo de nuevos materiales que puedan reemplazar las tierras raras en los imanes permanentes. Científicos de todo el mundo están trabajando en el desarrollo de imanes a base de ferrita y otros compuestos que no contienen tierras raras. Estos materiales aún están en fase de investigación, pero los avances recientes son prometedores y podrían ofrecer una alternativa viable en el futuro cercano.

Por ejemplo la empresa Proterial afirma que tienen imanes de ferrita con los niveles más altos del mundo, por otro lado Niron Magnetics investiga el desarrollo de imanes de nitruro de hierro para tratar de igualar a los de neodimio en rendimiento. Por último PASSENGER desarrolla aleaciones de ferrita de estroncio y magnesio junto con aluminio y carbono.

Además, las innovaciones en el diseño de motores eléctricos también juegan un papel crucial. Los avances en la ingeniería de motores y la optimización de sistemas de control pueden mejorar la eficiencia de los motores sin imanes permanentes, haciendo que sean una opción más atractiva para los fabricantes de coches eléctricos.

Conclusión

A pesar de la escasez de tierras raras y los problemas ambientales y económicos asociados con su extracción, los fabricantes de coches eléctricos siguen utilizando motores con imanes permanentes debido a su alta eficiencia y rendimiento. Sin embargo, la búsqueda de soluciones alternativas está en marcha, y el desarrollo de motores sin imanes permanentes y materiales sustitutos ofrece esperanza para un futuro más sostenible y menos dependiente de tierras raras.

La industria automotriz debe continuar invirtiendo en investigación y desarrollo para encontrar y adoptar estas alternativas. La innovación y la sostenibilidad deben ser prioridades clave en el diseño y fabricación de coches eléctricos, no solo para reducir la dependencia de tierras raras, sino también para minimizar el impacto ambiental y asegurar un suministro estable y accesible de materiales críticos.

Deberíamos invitar a los líderes de la industria, investigadores y responsables de políticas a colaborar en la búsqueda de soluciones sostenibles que permitan a la movilidad eléctrica prosperar sin comprometer el medio ambiente ni la economía global.

Fuente:

Híbridos y Eléctricos.

Baterías de estado sólido últimas noticias | Primera batería de estado sólido para hogar | Precio

Baterías de estado sólido

Una clase de baterías muy usadas durante varios años son las baterías de iones de litio, empleadas en pequeños dispositivos electrónicos como celulares, hasta en coches eléctricos, han empezado ha quedar posiblemente opacadas por otro tipo de tecnología conocidas como baterías de estado sólido. Y es que uno de los principales inconvenientes de las baterías de litio es la seguridad, ya que cuando estas entran en cortocircuito, existe el peligro de una explosión, este cortocircuito puede incluso ocurrir de manera natural, al crecer las dendritas desde el ánodo y entrar en contacto poco a poco con el cátodo. En las baterías de estado sólido no ocurriría tan fácilmente este crecimiento de dendritas.

La diferencia principal entre las baterías de iones de litio y las de estado sólido, es que el electrolito que comunica ánodo con cátodo en la primera es un líquido, y en la segunda es un sólido.

Entre las principales ventajas de las baterías de estado sólido, tenemos una mayor densidad energética, puede funcionar sin ningún problema a temperatura ambiente, si la temperatura es muy baja el electrolito de la batería no se congela puesto que es sólido, su costo de producción es menor, se obtiene un mayor voltaje por cada celda (unos 5 voltios), tiempo de carga menor, mayor durabilidad (tres veces más), un tamaño menor que las baterías de litio, y mayor seguridad.

Baterías de estado sólido de que están hechas

La estructura de las baterías de estado sólido es muy similar al de las baterías de litio, se compone de dos electrodos (ánodo - y cátodo +), un electrolito que sirve como conductor de los iones que se desplazan entre ambos electrodos, el electrolito en las baterías de litio es un líquido, mientras que en las otras es un sólido; este electrolito sólido puede ser de diferentes tipos como electrolitos de cristal, nano hilos de oro, polímeros sólidos. La principal diferencia entre estas baterías es que en las de estado sólido, prácticamente se ha suprimido el ánodo, solo existe una substancia o electrolito en la parte del cátodo, luego está el separador cerámico, y solamente una placa metálica para el ánodo (Litio metal).

Estructura de baterías

Baterías para coches

En el campo automotriz, y en especial de los coches eléctricos, el uso de las baterías en los mismos empezó con las baterías de litio, esto a su vez ha implicado una serie de inconvenientes, como por ejemplo costo económico, seguridad, peso del auto, tiempo de carga, entre otros; es por eso que las baterías de estado sólido son una tecnología que promete una solución al respecto. Un ejemplo de ello es la empresa Toyota que presentó un prototipo de automóvil funcionando con baterías de  estado sólido en el año 2019, que posteriormente fue probado y tuvo éxito, aunque su comercialización a gran escala está a poco tiempo de ocurrir (en 2028). No es la única compañía que ya ha empezado a abandonar la etapa de ensayo o prueba, con resultados que parecen ser prometedores, por ejemplo Quantum Scape, Theion, Solid Power. Además lo que se busca es sustituir el níquel y el cobalto, materiales difíciles de obtener, con costos ambientales, de salud, y de explotación laboral. Hay un obstáculo que aún atraviesan las baterías de estado sólido y es la escalabilidad, ya que la mayoría de tecnologías por el momento son compatibles con baterías de electrolito líquido, hay también otro tipo de tecnologías de baterías que prometen ser innovadoras.

Llegan las primeras baterías de estado sólido para hogar

Otra importante aplicación que se les puede dar a las baterías de estado sólido, es para suministro doméstico, en especial para hogares o viviendas, mejorando las que ya están disponibles en el mercado, como es el caso de las baterías de celdas LFP. Es así que la empresa norteamericana Amptricity, anuncia la creación de estas baterías de electrolito sólido para el hogar. 

Las nuevas baterías tendrían una densidad energética mayor que las actuales comerciales, esta sería aproximadamente 377 Wh/kg, y con tamaño más reducido. Afirman también que la vida útil de este tipo de baterías será mayor, es por eso que el fabricante da una garantía de 25 años.

Las capacidades de almacenamiento energético disponibles para este tipo de baterías serían de 12, 24, 36, 48 y 60 kWh, la energía suministrada sería muy abundante, por ejemplo la de 60 kWh puede servir para varias viviendas. Existe la opción también de actuar como baterías modulares, es decir se puede conectar en paralelo hasta varias de ellas para suministrar aún más energía.

Un aspecto poco agradable que hay que tomar en cuenta con este tipo de baterías es el precio, ya que el mismo por unidad y de acuerdo a la capacidad sería de entre 19.990 dólares, hasta los 73.990 dólares. Se espera que conforme se vaya teniendo más acogida en el mercado, su precio irá bajando de manera significativa.

Según el fabricante estas baterías se empezarán a comercializar a inicios de 2023.

Análisis

De acuerdo a lo citado anteriormente, un aspecto muy importante a considerar en estas baterías, es el costo, aunque de acuerdo a lo consultado sobre todo en lo que respecta a baterías para coches, no hay un rango precios claro, se afirma solamente en base a lo experimental que el costo será menor que las baterías de litio, sin embargo para las baterías para hogares ya se puede adelantar cifras, pero esto puede ser desalentador, habrá que esperar a que ya se las comercialice de manera oficial, una vez transcurrido cierto tiempo, ver si este costo realmente logra ser menor a lo prometido anteriormente. 

Igualmente para el resto de ventajas y soluciones que ofrecen estas baterías, habrá que esperar para ver que tan eficaces son realmente para satisfacer la demandas y necesidades de los consumidores, una vez adquiridas.

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Se inventa el primer osciloscopio óptico del mundo | Osciloscopio ondas | Ejemplos de uso del osciloscopio | Aplicaciones del osciloscopio en la ingeniería | Longitud de onda de la luz | Para que sirve la luz visible

Investigación y desarrollo del primer osciloscopio óptico en la historia

Así como lo leen, y es que en una última publicación de la revista Nature Photonics, se muestra el trabajo  referente a lo que es la invención del primer osciloscopio óptico del mundo, esto es algo novedoso debido a que es muy complicado detectar el campo eléctrico de una onda de luz. Los osciloscopios convencionales o que la mayoría de estudiantes e ingenieros en electrónica usan, son solo capaces de detectar las frecuencias más bajas, ya sea de radio, microondas o que llegan a un rango máximo de Giga-Hertz, y es así que un equipo de trabajo de la Universidad de Florida Central desarrolló el primer dispositivo que es capaz de convertir las oscilaciones de una señal de luz en una señal eléctrica, para de esta manera poder ver en una pantalla como lo hacen los osciloscopios.

Es realmente un desafío poder detectar este campo eléctrico de la luz, debido a su alta frecuencia o velocidad a la que oscila, si tomamos en cuenta el espectro electromagnético, las radiaciones de luz visible oscilan en frecuencias del rango aproximado de Peta-hertz, pero es más coherente expresar estas cantidades en longitudes de onda, estas estarían comprendidas entre los 450 nanómetros a 750 nanómetros (o desde el ultravioleta al infrarrojo). Lo que se sabe actualmente, es que hay dispositivos que pueden detectar la luz solo mediante pulsos, pero no así los picos y valles de estos pulsos. Recae en gran importancia estas altas velocidades de oscilación que alcanza la luz, debido a que esto permite transmitir información en mayor densidad. Es también importante lograr detectar los picos y valles, ya que es allí donde se trabaja para colocar la información, mezclarla con la señal de luz o modularla de manera adecuada en esta portadora.

Para la comprobación de este dispositivo, se usó los pulsos de luces láseres individuales, para detectar los campos eléctricos en tiempo real. Según el profesor Michael Chini, quien es parte del equipo, las limitaciones de los osciloscopios convencionales se rigen a la velocidad en que detectan estas oscilaciones de la luz, pero este dispositivo que desarrollaron puede aumentar aproximadamente su velocidad en un factor de 10000, como señalan.

Como partes importantes de la investigación y desarrollo de este dispositivo tenemos el esquema de medición de disparo único, simulaciones, mediciones de la dependencia de fase envolvente de la portadora, otras mediciones, configuración experimental, recolección y análisis de datos obtenidos, para su posterior publicación.

Y lo que resta por hacer, según el equipo de UCF, es ver hasta donde se puede llegar, qué otros avances puede brindar tal velocidad alcanzada.

Opinión, posibles aplicaciones que se le puede buscar

Sin lugar a dudas esta investigación podría ser una gran revolución, traería grandes avances y se simplificarán muchas cosas, por ejemplo en el campo de las comunicaciones ópticas, pero más concretamente en las comunicaciones cuánticas, ya que recientes investigaciones proponen el uso de nanoantenas o antenas ópticas para más seguridad, entonces tener esta clase de osciloscopios a la mano permite estudiar con más detalle la respuesta que dan estos dispositivos a las señales ópticas, y continuar haciendo mejoras. Otro tipo de tecnología en la que podría volverse útil es en la creación de nuevos paneles solares, más eficientes, estos también podrían usar nanoantenas o algunos semiconductores más adecuados para aprovechar mejor la energía que se capta, se podría igualmente verificar en la pantalla del osciloscopio como se comportan los dispositivos ante la señal de luz solar en directo. Así mismo se podría trabajar de manera más eficiente con el osciloscopio en otros campos como la fotónica, espectroscopía, en la mejora de sensores ópticos, etc.

Referencias:

https://phys.org/news/2021-12-team-world-optical-oscilloscope.amp

https://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_visible

Paneles solares de perovskita prometen ser más eficientes que los de silicio | Silicio y perovskita | Panel solar potente | Celdas solares de perovskita características

Paneles solares de perovskita y posibles mejoras

En las últimas décadas se ha estado buscando nuevas alternativas o nuevos compuestos que permitan superar la eficiencia de los convencionales paneles de silicio, y una de estas propuestas son los nuevos paneles de perovskita.

El problema con los paneles solares de silicio es que solo ofrecen una eficiencia del 20 % para absorber la energía solar, se ha logrado hacer mejoras pero solo se ha llegado a un 25%, y además esta tecnología de silicio es costosa. En cambio los paneles solares de perovskita prometen ser más económicos y de una fabricación más sencilla.

El proceso de desarrollo e investigación de los paneles de perovskita no fue siempre fácil, desde que se empezó alrededor del año 2009, solo se logró obtener una eficiencia de 3.5 %. Más tarde a partir del año 2012 se logró ir aumentando la eficiencia de estos paneles, empezando con un nuevo tipo de perovskita cuyo compuesto es Metilamonio de yoduro de plomo, llegando así en unos años posteriores a lograr eficiencias muy cercanas a las del silicio, de alrededor del 22%, tomando en cuenta esto, tendríamos las mismas eficiencias del silicio pero con un costo más económico. 

Otro aspecto a tomar en cuenta es la vida útil de los paneles solares, por ejemplo los paneles solares comunes de silicio, pueden llegar a durar más de 20 años, los paneles solares de perovskita desde sus primeros desarrollos, han ido aumentando su vida útil, desde unas pocas horas, 4 meses, hasta 4 años con las últimas mejoras. Sin embargo las celdas de silicio las continúan superando en este aspecto, pero continúan las investigaciones para mejorar el desempeño de las celdas de perovskita. 

Al ver el alto rendimiento que aún tienen los paneles de silicio en lo que se refiere a vida útil, una nueva iniciativa busca combinar ambas tecnologías de silicio y perovskita, en una estructura en tándem. En este sentido mostraremos el siguiente ejemplo que combina ambas tecnologías y se obtiene alta eficiencia.

Muy cerca del 30% de eficiencia con celdas solares de tándem

Las perovskitas han empezado a tener gran importancia desde 2008 al convertir de manera muy eficiente la energía solar en electricidad, y en conjunto con el silicio se pretende mejorar aún más esta eficiencia. Es por eso que gracias a los trabajos dirigidos por Steve Albrecht, Bernd Stannowski, y Christiane Becker, pertenecientes a HZB, se ha logrado desarrollar una celda solar en tándem que combina silicio y perovskita, la misma que logró obtener una eficiencia de conversión del 29.8%, o que ya es muy cercana al 30%, lo cual ya ha sido documentado y certificado.

Lo que destaca en esta celda en lo referente a estructura y diseño, es la cara frontal de silicio nano texturizado y la cara posterior con reflector dieléctrico. En lo que respecta al silicio nano texturizado, fue un arduo trabajo demostrar que una superficie nano texturizada rinde mejor que una superficie plana, que empezó con una simulación para estimar y calcular la densidad de fotocorriente hasta llevar este trabajo a la práctica, se empieza desde las nanoestructuras, se continúa con las sub celdas, y se termina con la toda la celda solar en sí, lo que lleva a un mejor rendimiento y estructura. En lo que respecta al reflector dieléctrico este se ha diseñado y optimizado principalmente para reflejar también la luz infrarroja hacia la cara de silicio, siendo absorbida por esta, o con el fin de aprovechar todo el espectro de luz, contribuyendo así también en la mejora del rendimiento y aumento de densidad de fotocorriente.

Estas fueron unas investigaciones que arrancaron desde 2008, y señalan que su mejora continua es aún viable, y que en poco tiempo se logrará superar la eficiencia del 30%, que actualmente se la consideraba como un límite teórico, todo depende de optimización mediante la nanoestructuración de las caras.

Opinión:

Pienso que es un gran aporte, esta mejora que se le da al desempeño de las celdas solares, y que ha logrado subir de un 20% hasta cerca de un 30%, lo que nos lleva a un aumento de casi el 10% y con un costo más bajo que el silicio por si solo, sin embargo esta clase de trabajos están todavía en fase experimental, y poco a poco se los está llevando a la práctica o al uso cotidiano, y además hay que tener en cuenta es su grado de impacto ambiental, sobre todo al momento de quedar obsoletas. Sin embargo me parece que es un poco pobre el rendimiento de 30 %, por lo cual tal vez otra clase de tecnologías si puedan alcanzar un rendimiento superior, como es el caso de las nano antenas o antenas ópticas, que permitan así captar todo el espectro de luz solar (desde los infrarrojos hasta la luz ultravioleta). 

Referencias:

https://youtu.be/q18NV_w0dQw

https://www.chemeurope.com/en/news/1173661/almost-30-efficiency-for-next-generation-tandem-solar-cells.html

Materiales ferroeléctricos | Una alternativa para mejorar el almacenamiento de información digital y con menos consumo de energía | Materiales ferroeléctricos y sus aplicaciones | ¿Qué es la ferroelectricidad y la piezoelectricidad? | Características de los materiales ferroeléctricos | ¿Cómo se fabrican los materiales ferroeléctricos? | Un material ferroeléctrico es aquel que

Un material ferroeléctrico es aquel que:

Los materiales ferroeléctricos son cristales que tienen un momento eléctrico dipolar (o polarización) en ausencia de campo eléctrico, existe una relación lineal entre el campo eléctrico externo aplicado y la polarización del material, esto se conoce como histéresis, muestra la transición entre dos estados de equilibrio que se dan en el interior del material. Al tener polarización en ausencia de un campo externo, hay un ordenamiento del material para que el promedio de dipolo no sea cero, por lo que esta región sería una estructura de dominio.  Al aplicar un campo eléctrico externo, estas regiones crecen a favor del campo, y teóricamente quedan todas ordenadas, pero en la práctica siempre pueden quedar unos pocos dipolos en sentido contrario, y son los que facilitarán ese cambio a polarización contraria en el material, cuando se aplique de nuevo un campo eléctrico. 

Pero estos campos eléctricos aplicados son en forma de pulsos o pulsos de switching, para no interferir demasiado en los procesos internos del cristal. Otro parámetro a tener en cuenta es la temperatura de Curie, en el cual los dipolos quedan desordenados, se da una transición de fase ferroeléctrica a para eléctrica, los materiales ferroeléctricos presentan una permitividad dieléctrica elevada y se alcanza el máximo en la transición a fase para eléctrica. Los materiales ferroeléctricos además tienen las propiedades de piezoelectricidad y piroelectricidad. Nos centramos más en la piezoelectricidad, la propiedad en la cual los cristales se polarizan debido a una deformación, o se consigue una deformación al aplicarles un campo eléctrico. Lo que conlleva a una aplicación que consiste en crear condensadores de alta capacitancia en la ventana de temperatura cercana a la temperatura de Curie, siendo a su vez  aplicados estos condensadores en tecnologías de almacenamiento de información o memoria, de lo cual vamos a tratar a continuación. 

Materiales ferroeléctricos para mejorar dispositivos de memoria y almacenamiento de información digital con menor consumo de energía

Aprovechando las propiedades de los materiales ferroeléctricos, se busca implementar una nueva forma de almacenamiento de información digital y de datos, que no necesita energía adicional para retenerla, esto de acuerdo a resultados de últimas investigaciones al respecto, que son prometedoras. Y es que los materiales ferroeléctricos se caracterizan por quedar polarizados luego de aplicarles un campo eléctrico, y no se necesita una energía extra o adicional que mantenga esta polarización, los materiales ferroeléctricos reorientan sus cargas de acuerdo al campo eléctrico que se les aplica. También los golpes o fuerza física puede afectar la orientación de los materiales ferroeléctricos y por ejemplo se los puede aplicar como encendedores de tipo botón en las parrillas de gas. Pero más que nada se da importancia en la aplicación de dispositivos de memoria.

Es el trabajo de un grupo de investigadores del Instituto Penn State, el que destaca la importancia del óxido de zinc sustituido con magnesio, al hacer experimentos de ferroelectricidad con este material, afirman que han descubierto una nueva familia de materiales ferroeléctricos, y a partir de los cuales se pueden crear condenadores diminutos. La orientación de polarización dentro de estos condensadores solo cambia al momento de aplicar campo eléctrico, fuera de este no es volátil, quiere decir que si su carga superficial  se configura como positiva, permanece como tal, y lo mismo si se la configura como negativa, permanece así de manera constante, hasta que se le aplique nuevamente un campo eléctrico.

Esto es de mucha utilidad, ya que permite un ahorro de energía, no se necesita de energía adicional externa, para preservar la información dentro de las memorias, contrariamente a como ocurre actualmente con nuestros ordenadores, que si necesitan una cierta cantidad de energía eléctrica para mantener la información en dentro de sus memorias. Entonces es ahí en donde entra en acción el óxido de zinc sustituido con magnesio, que más antes nunca se lo pensó para ser usado como material ferroeléctrico, sino como semiconductor, al expandir la banda prohibida del óxido de zinc.

Lo que consideran importante también es la figura de mérito del material (término utilizado en Química Analítica), que indica que tan efectiva es esta combinación, para un determinado propósito o aplicación. Y los nuevos materiales ferroeléctricos creados ofrecen muy buenas figuras de mérito, lo que abre la posibilidad de encontrar nuevas aplicaciones.

Este óxido de zinc sustituido con magnesio, está disponible en películas delgadas, obtenidas mediante un proceso conocido como deposición catódica, el zinc y el magnesio se obtienen en forma de vapor y al reaccionar con el oxígeno, se van acumulando en un sustrato de óxido de aluminio y así se van formando estas delgadas películas. De esto hay también una ventaja y es que se puede dar este proceso de fabricación a temperaturas más bajas, lo que lo facilita más, a diferencia de otros materiales que requieren temperaturas aproximadas de 300 a 1000 grados celsius, y se evitan reacciones indeseadas debido a estas altas temperaturas.

Se continúa mejorando la fase de fabricación, para evitar que el material obtenido tenga imperfecciones, que podrían dificultar su implementación en componentes electrónicos, tales como los condensadores diminutos que ya mencionamos antes, cuyas dimensiones serían 20 x 30 nanómetros de largo y ancho y de 10 nanómetros de altura o espesor, y así estos componentes serán parte de dispositivos con un consumo energético menor, esta implementación en la práctica todavía está en fase de experimentación y medición previa.

Los actuales sistemas de memoria ponen énfasis en el almacenamiento magnético, esto requiere una cantidad considerable de corriente para producir el magnetismo, lo que conlleva a un consumo alto de energía, por eso es que también se acelera estas investigaciones sobre ferroelectricidad. Con esto también se reduciría el tamaño de los dispositivos.

Referencias:

https://phys.org/news/2021-08-family-ferroelectric-materials-possibilities-energy.html

https://youtu.be/0FJITF9kkkg

https://youtu.be/IwT_ECJ1TEY

¿Por qué es importante la computación cuántica? | Seguridad informática cuántica | Internet cuántico | VPN cuántica | Computación cuántica ejemplos

¿Porqué es importante la computación cuántica?

La computación cuántica aprovecha propiedades microscópicas, más concretamente de los átomos, ya que a esta escala ocurre comportamientos totalmente diferentes a lo que comúnmente observamos a simple vista, fenómenos extraños y desconocidos que pueden ser aprovechados de manera adecuada, como por ejemplo en los sensores cuánticos, computación cuántica, comunicaciones cuánticas, etc.

Tal ejemplo de que un ordenador cuántico es innovador es que se puede factorizar un número demasiado grande (talvez un número de 23 millones dígitos), tarea que para la computación tradicional se le complica demasiado ya que se logra factorizar solo números más pequeños y con demora, se pone énfasis en factorizar porque es en lo que comúnmente se basa la seguridad de nuestras comunicaciones para descifrar la información. Otro pequeño ejemplo puede ser el diseño de mejores fármacos, y reitero el diseño y no el descubrimiento, ya que a veces puede resultar muy complicado ponerse a combinar muchas fórmulas para diseñar nuevos compuestos, con los algoritmos de computación cuántica y haciendo uso de inteligencia artificial podría resolverse fácilmente este problema.

Ahora en lo que respecta a las comunicaciones cuánticas, lo que obviamente se busca es proteger de una mejor manera la información, haciendo uso de encriptación y desencriptación cuántica de la información. Ya que por ejemplo usando un computador cuántico para descifrar la información protegida con la tecnología tradicional que disponemos, todo esto sería muy fácil de hacerlo.

Otra aplicación como los sensores cuánticos, se verá también beneficiada, mejorará la precisión de los sensores al momento de hacer mediciones, tal ejemplo puede ser el GPS que usa relojes cuánticos, y otros sensores,  así se podrá obtener un posicionamiento más exacto.

Y obviamente también nos falta, nombrar al internet cuántico, en donde sin lugar a duda también se tendrá acogida de esta nueva tecnología, lo describiremos más adelante.

Todos estos ejemplos podrían ser unos pilares muy importantes, que muestran cuan vital resulta implementar la tecnología de computación cuántica para nuestro bienestar y para la mejora continua de nuestra tecnología, aunque pueden sin lugar a dudas extenderse sus aplicaciones.

Internet cuántico

La tecnología cuántica promete ser una gran revolución, aprovechando las propiedades de partículas, átomos u objetos cuánticos, que se comportan de manera impredecible de acuerdo con las leyes de la física cuántica, se puede crear por ejemplo chips y circuitos imposibles de hackear, hasta redes de telecomunicaciones "cien porciento" seguras, todo esto supone un gran cambio en la seguridad informática. Aquí se aprovecha el funcionamiento de los llamados "generadores cuánticos de números aleatorios" basándose en el comportamiento de los objetos cuánticos para así lograr obtener de manera óptima números aleatorios perfectos (se crean millones de bits por segundo), y crear un cifrado que sea muy difícil de descifrar o piratear por cualquier otro computador. 

Los chips imposibles de piratear o hackear generan números aleatorios disparando láseres a dos objetivos, el resultado es imposible de pronosticar

Ahora el internet cuántico envía la información por fotones y cualquier intento de intromisión puede ser detectado, y gracias a la ayuda de los chips imposibles de hackear o generadores cuánticos se dispara con dos láseres a dos objetivos, y su resultado es imposible de pronosticar. Entre las aplicaciones que se planea implementar gracias a su seguridad, están la protección de datos financieros, de salud, de defensa, redes eléctricas, transporte, redes móviles, seguridad de centros de datos, internet de las cosas. Por supuesto todo esto ya se logró a nivel de laboratorio, pero poco a poco ya se lo está llevando a la práctica a dispositivos de uso diario.

Una VPN a prueba de ciberataques cuánticos

Como se mencionó antes, a través de la computación cuántica es posible hackear con total facilidad cualquier sistema de encriptación y seguridad informática actual,  por tal motivo se esta pensando en nuevos sistemas seguridad y encriptación que nos proteja de este tipo de intromisiones cuánticas, y antes de que se implemente totalmente en el mercado estos dispositivos, una solución es la que ha planteado la empresa Verizon, con su nueva red VPN que afirman que es inmune a ataques cuánticos, haciendo usos de nuevos protocolos.

Hicieron una prueba desde Londres hasta Ashburn Estados unidos, haciendo una transmisión que atravesó el océano Atlántico, usaron un algoritmo conocido como Sabre. Planean hacer más pruebas en otros lugares y con otros algoritmos, para de allí obtener los nuevos estándares de encriptación que se usaran futuramente y buscando que se los implemente lo más pronto posible.

En fin, todos tenemos una pequeña idea de como nos protege y nos camufla una VPN común y corriente, la misma que resulta muy dificultosa de evadir por los hackers, pero una VPN cuántica será aún más infranqueable todavía, gracias al uso de los algoritmos de encriptación cuántica.

Referencias

https://youtu.be/DSZ39pk-U7U

https://youtu.be/AbcT7aOlZ2Y

https://www.elespanol.com/omicrono/tecnologia/20210828/vpn-resistente-computacion-cuantica-amenaza-ciberseguridad-clasicas/607439762_0.html

Grafeno y su uso en la computación cuántica | conoce también otros usos del grafeno | grafeno y electrónica | ¿Qué es el grafeno y para que se usa?

¿Qué es el grafeno y para que se usa?

El grafeno básicamente es un material bidimensional, por ejemplo una sola lámina de grafeno está formada por átomos de carbono y que se enlazan entre sí formando una especie de redes de forma hexagonal. De ahí se sabe que el grafeno es unas 200 veces más resistente que el acero siendo unas 5 veces más ligero que el aluminio, mil veces mejor conductor de electricidad que el cobre, siendo también un excelente conductor térmico, y también cabe destacar que es muy flexible, elástico y transparente, por todo esto se lo considera como el material del futuro con un sin fin de aplicaciones como pantallas flexibles de dispositivos electrónicos, microchips y computadoras más rápidas, baterías de larga duración y con carga ultra rápida, cascos y chalecos antibala, etc.

Grafeno rotado y del grosor de un átomo el eje de la computación cuántica

Unas últimas investigaciones sobre los movimientos de los electrones en capas de grafeno en 2 dimensiones, sugieren que podrían favorecer al desarrollo de la computación cuántica así como también revolucionar la industria de los circuitos electrónicos.

Así y es, gracias a un estudio realizado en cooperación entre el Laboratorio Nacional Brookhaven, la Universidad de Pensilvania, la Universidad New Hampshire, la Universidad Stony Brook, y la Universidad de Columbia, señalan que la tecnología de silicio y semiconductores actual, poco a poco ha empezado a llegar a su límite en lo que respecta a tamaño, en cuantos transistores miniaturizados pueden caber en un circuito integrado o chip, por lo cual se puede en cambio aprovechar el movimiento de lo electrones a una escala nanométrica acorde a los materiales 2D, y así usar los electrones de manera nunca antes lograda permitiendo el desarrollo de la computación cuántica, con plataformas más seguras y potentes.

Se trata de una disposición de grafeno bicapa, con una forma de carbono que tiene apenas el grosor de un átomo, así se logra hacer trabajar al electrón dentro de diminutas dimensiones que son iguales a su longitud de onda, en un proceso conocido como confinamiento cuántico con lo cual cambian las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales.

Esta investigación se basa en estudios anteriores en donde por ejemplo se usaron tres configuraciones diferentes de capas de grafeno, la primera una sola capa de grafeno, Bernal apilado bicapa y la bicapa retorcida. Luego se logró detectar resonancias tanto electrónicas como ópticas entre capas, el movimiento de los electrones es adelante y atrás a la misma frecuencia, también se indaga que la distancia entre capas aumenta para una configuración retorcida o con capas rotadas entre sí. Por lo cuál el grafeno rotado entre sí, tendría aún mejores resultados, debido a que hay más espacio sobre el cual pueden desplazarse los electrones lo que conlleva a aprovechar aún más propiedades.

Lo que se hizo también en este estudio es probar este confinamiento cuántico en capas, tanto con electrones como con fotones. Se espera ver también los efectos de estas propiedades al adicionar más materiales al grafeno.

Otras aplicaciones del grafeno

Entre otras aplicaciones del grafeno podemos citar:

Baterías de grafeno

La clave para lograr desarrollar baterías más eficientes que muchas que hay en la actualidad, pueden ser las baterías de grafeno, cuyo ingrediente principal son las denominadas "bolas de grafeno"(patentadas por Samsung), las mismas que se obtienen a partir del óxido de silicio, se trata de un tipo de grafeno tridimensional. Afirman que se puede incrementar la velocidad de carga de las actuales baterías de litio de los teléfonos celulares hasta en cinco veces. También sería una buena alternativa para las baterías de coches eléctricos ya que mantienen temperaturas de carga de hasta 60° centígrados.

Grafeno en el sector de la construcción

Una nueva iniciativa que consiste en mezclar grafeno con concreto, promete ser una gran innovación en el sector de la construcción, se obtiene una especie de hormigón más duradero, más fuerte y a la vez amigable con el medio ambiente. Por ejemplo la resistencia a la flexión mejora en un 79.5 %, y su resistencia a la compresión mejora hasta en un 146%, además también es 4 veces más impermeable al agua. Cabe destacar también que disminuiría la cantidad de cemento por metro cúbico a la mitad, al mezclarlo con el grafeno, lo que conlleva a menos gasto de energía y menos emisión de CO2 debido a su producción.

Productos con grafeno

Hay 5 productos de uso cotidiano hechos de grafeno y que actualmente ya se encuentran disponibles en el mercado, entre estos podemos citar colchones y almohadas, diafragmas de auriculares, pinturas con grafeno, palas de pádel, batería LiPo con grafeno (con mayor aplicación en la industria de los drones).

Referencias:

https://scitechdaily.com/atomically-thin-twisted-graphene-has-unique-properties-that-could-advance-quantum-computing/

https://youtu.be/fyaS9IhcfBE

https://youtu.be/zoIL8VQg7PM

https://youtu.be/IXfTY_Ylzek

Supercondensadores vs baterías lo último | aplicaciones y funcionamiento de supercondensadores | miniaturización de supercondensadores | cálculo de energía almacenada en supercondensador

Batería supercondensadores 

Los supercondensadores funcionan de manera similar a un condensador normal, solo que los primeros ofrecen una capacitancia mucho mayor (funcionando de manera algo similar a una batería), pero poseen un a propiedad conocida como pseudocapacitancia, aunque puede ser tomada en cuenta como muy similar a la propiedad de un capacitor convencional, por lo cual volviendo a explicar el funcionamiento común de un capacitor, estos se conforman de pares de placas metálicas (alternando una con polaridad positiva y otra negativa) que se encuentran separadas por una capa intermedia de un medio no conductor de electricidad, conocido como dieléctrico (electrolito), todo esto permite almacenar la energía de manera estática, sin producir una reacción química como sí ocurre con las baterías.

Estructura interna de un supercondensador

Aplicación de supercondensadores a la industria de coches eléctricos

Por ser muy ligeros, empresas como Tesla y Lamborghini, han mostrado interés en incorporar a sus coches, los supercondensadores, ya que también la carga y descarga de los supercondensadores no dependen de reacciones químicas, como sí ocurre con las baterías, por lo tanto las baterías sufren un gran desgaste en lo que se refiere a aceleración y frenado instantáneo, los supercondensadores en cambio responden perfectamente a la aceleración ya que pueden entregar picos de potencia grandes de manera instantánea sin sufrir desgaste, y en cambio a lo que respecta a la absorción total de energía que se necesita en el mecanismo de freno regenerativo, estos supercondensadores igualmente trabajan sin ningún problema para captar esta grande densidad de energía en un pequeño instante, lo que igualmente va perjudicando a las baterías.

Banco de supercondensadores de auto eléctrico, puestos en serie y paralelo

Por el momento los condensadores, no son una respuesta inmediata para reemplazar a las baterías, ya que los primeros a pesar de ser una tecnología de almacenamiento de energía viable por su rápida carga, siguen teniendo la desventaja de almacenar menos energía que una batería propiamente, entonces en lo que se piensa es en una combinación de ambas tecnologías de capacitores y baterías, para que trabajen en conjunto, la batería aporta la mayor parte de la energía, y el condensador da una respuesta, para carga y descarga inmediata de una alta potencia instantánea. Sin embargo siguen los esfuerzos por innovar la tecnología de los supercondensadores, con el fin de que logren almacenar la misma cantidad de energía que una batería y quizás tal vez más. Por este motivo veremos un segundo ejemplo de las últimas innovaciones de supercondensadores, en donde se ve reducido el tamaño de los mismos.

Lo último el supercondensador más pequeño que existe (nano-supercondensadores)

Científicos en Alemania afirman haber logrado crear un condensador muy pequeño y que presenta el mismo voltaje que una pila AAA, pero con una corriente mucho menor (0.1 microamperios), su tamaño es un poco menos que un grano de polvo (0.001 milímetros cúbicos), y puede llegar a ser introducido en el cuerpo humano, ya que una principal aplicación es energizar pequeños dispositivos y sensores, que verifican el estado de la sangre, de los vasos sanguíneos, el pH, la detección de enfermedades, etc. Con respecto a esta última aplicación de estos nano-supercondensadores, se los conoce como bio supercondensadores, y que además para este caso aprovechan también las reacciones químicas del cuerpo para su funcionamiento, y poseen también celdas sensibles a la luz para así recargarlos.

En lo que respecta a su estructura se trata de nano-supercondensadores de forma tubular, y que obviamente se los puede poner a trabajar en conjunto, por ejemplo en una lámina transparente que los contiene, que es menor  a la yema del dedo, pueden caber sin problema hasta 90 de estos supercondensadores puestos en serie y en paralelo. Se trata de dispositivos electrónicos de escala submilimétrica.

Vista frontal del nano super condensador tubular, se ven sus capas

Y sin lugar a dudas al ser muy pequeños, tarde temprano lograrán por fin crear condensadores con la misma capacidad de almacenamiento que una batería, trabajando en conjunto muchos de estos condensadores de escala submilimétrica.

Cómo calcular la energía de un condensador

Con el fin de tener una idea de cuánta energía puede almacenar un capacitor en comparación a una batería mostrare como se puede hacer los cálculos de la energía que puede almacenar cada uno en función de su voltaje.

Se puede calcular la energía que almacena un condensador mediante la siguiente ecuación:

Ecuación de energía almacenada en capacitor

Donde W es la energía calculada en julios, C es la capacitancia en faradios y V es el voltaje en voltios. Poniendo como ejemplo un capacitor de 1 faradio, que alcanzó un voltaje máximo almacenado de 3 voltios, (he comprobado también el amperaje que entrega un capacitor de estas características, y es de aproximadamente 400 miliamperios aunque no se tomará en cuenta esto para el cálculo), el cálculo de la energía sería el siguiente:

W=0.5 x (1) x (3^2) = 4.5 julios

Se obtiene como resultado 4.5 julios de energía almacenada, ahora se procede a realizar los cálculos suponiendo que se logró almacenar un voltaje de 5 voltios:

W=0.5x(1)x(5^2)=  12.5 julios

Se observa que con un aumento de 2 voltios, la energía almacenada es más del doble, por lo cual se puede decir que la carga de un capacitor no es lineal, sino que varía de manera cuadrática de acuerdo al voltaje que almacena. 

Y finalmente para tener una idea de la energía que puede almacenar una batería multiplicamos la corriente de la batería que se consume en una hora, por el voltaje que entrega la misma (y haciendo también una conversión de horas a segundos):

Ecuación de energía almacenada en una batería

Entonces si tenemos una batería de 4 voltios con una capacidad de carga de 500 mAh, la energía almacenada será:

W=(0.5Axh)x(3600s/h)x4V= 7200 julios

Se obtiene una energía almacenada de 7200 julios, para el caso en que aumente el voltaje a 6 voltios la energía almacenada obtenida es de 10800 julios. 

Con esto se puede tener una idea del nivel alto de energía que es capaz de almacenar una batería en comparación a un capacitor de características similares, en lo que respecta a voltaje y corriente, pero el aumento de energía de un capacitor es cuadrático en comparación a una batería.

Referencias:

https://youtu.be/IC2MwodR3zA

https://newatlas.com/science/dust-sized-supercapacitor-voltage-aaa-battery/