Microscópio de campo iónico

El microscopio de iones en campo es una variedad de microscopio que puede ser usado para visualizar la ordenación de los átomos que forman la superficie de la punta afilada de una aguja de metal. Fue la primera técnica con la que se consiguió resolver espacialmente átomos individuales. La técnica fue desarrollada por Erwin Müller. En 1951 se publicaron por primera vez imágenes de estructuras atómicas de tungsteno en la revista Zeitschrift für Physik.

En la FIM, se produce una aguja de metal afilada y se coloca en una cámara de ultra alto vacío, que después se llena con un gas visualizador tal como el helio o el neón. La aguja se enfría hasta alcanzar temperaturas criogénicas (20-100 K). Luego se aplica un voltaje positivo que va de 5.000 a 10.000 voltios sobre la punta. Los átomos de gas absorbidos por la punta se ven ionizados por el fuerte campo eléctrico que existe en las proximidades de ella. La curvatura de la superficie cercana a la punta provoca una magnetización natural; los iones son repelidos bruscamente en dirección perpendicular a la superficie (un efecto de "proyección de punto"). Se coloca un detector de modo que pueda recoger esos iones repelidos; y la imagen formada por todos los iones repelidos puede tener la resolución suficiente como para mostrar átomos individuales en la superficie de la punta.

Al contrario que los microscopios convencionales, donde la resolución espacial se ve limitada por lalongitud de onda de las partículas empleadas en la visualización, el microscopio basado en FIM funciona por proyección y alcanza resoluciones atómicas, con una magnificación aproximada de unos pocos millones de aumentos.

¿Cómo utilizan la diferencia de potencial estos microscopios?

El campo eléctrico y el gradiente de campo eléctrico de los alrededores de la punta son bastante altos, y las moléculas gaseosas residuales que se aproximan a la punta se ionizan por la misma, transfiriendo electrones a la punta, con la consiguiente adquisición de carga positiva.

¿Cómo se aprovecha?

La punta repele los cationes gaseosos, que se mueven hacia afuera, en dirección a una placa fotográfica, en la que impactan y crean manchas. Cada mancha corresponde a un átomo en la punta, por lo que la distribución de puntos en la placa fotográfica representa una imagen muy ampliada.

Los ingenieros del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Estados Unidos, están desarrollando y sondeando un nuevo microscopio con la tecnología más reciente para mejorar enormemente la exactitud de medición en la nanoescala. Estas mejoras es un punto fundamental para el establecimiento de normas y la mejora de la producción de semiconductores en la industria y la nanofabricación.

Este nuevo microscopio tecnológicamente avanzado, usa iones de helio para generar la señal utilizada para mostrar imágenes de objetos extremadamente pequeños, una técnica análoga a la del microscopio electrónico de barrido, que se introdujo por primera vez comercialmente en el decenio de 1960. Paradójicamente, a pesar de que los iones de helio son mucho más grandes que los electrones, pueden proporcionar imágenes de mayor resolución con mayor contraste. La profundidad del campo de visión es mucho mejor con esta nueva tecnología. Los iones tienen mayor masa, y la longitud de onda es más corta que los electrones, por lo que se convierte en un aspecto que mejora enormemente las imágenes de carácter tridimensional en la práctica, revelando detalles hasta de un tamaño menor que un nanómetro, es decir, la distancia de tres átomos en un cristal de silicio.

La ventaja más clara de los iones de helio en microscopios es que las imágenes indican el borde de una muestra mejor que la SEM, que es fundamental en la precisión de fabricación.

Transformando la Energía Solar

Es conocido que la disponibilidad potencial de la energía solar es muy superior a las necesidades energéticas de la humanidad y que, además, es prácticamente inagotable y no contaminante.

La recogida natural de energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos. Los sistemas modernos de energía eólica utilizan hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño aerodinámico que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales y especializados o para alimentar la red eléctrica de una región o comunidad.

Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energía hidroeléctrica.

Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar contribuye al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico derivan de plantas antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el metano también pueden extraerse de la biomasa.

Asimismo, los océanos representan un tipo natural de recogida de energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y por las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan 20 °C en distancias de algunos cientos de metros. Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios termodinámicos predicen que se puede crear un ciclo generador de energía que extrae energía de la masa con mayor temperatura y transferir una cantidad a la masa con temperatura menor. La diferencia entre estas energías se manifiesta como energía mecánica, la cual, puede conectarse a un generador, para producir electricidad.

El aprovechamiento de la energía solar: La vía térmica y la vía fotovoltaica

Actualmente existen dos formas principales de aprovechamiento de la energía solar: la térmica, que convierte la energía procedente del Sol en calor, y la fotovoltaica, que la transforma en energía eléctrica.

En los sistemas solares basados en la vía térmica se distinguen tres modalidades, de baja, media y alta temperatura. Los primeros funcionan a partir de colectores, que transmiten la radiación en forma de calor hasta un fluido, que circula por conducto y alimenta sistemas de calefacción, climatización, etc. Aprovechan la energía solar, temperaturas de entre 35 y 100 °C.

Las principales instalaciones de media temperatura empleadas, generalmente, para producir vapor utilizado en aplicaciones industriales, son las de colectores distribuidos. Constan de un conjunto de colectores de concentración normalmente de forma cilíndrico-parabólica —para favorecer una eficaz absorción de la radiación solar—, que, tras captar la energía solar la transmiten a un fluido en forma de calor. El fluido se calienta y transporta la energía calorífica a través de un circuito primario hasta una caldera, de donde se transfiere otro fluido que transita por el circuito secundario Este segundo fluido, normalmente agua, pasa al estado de vapor a alta temperatura, y es enviado al grupo turbina-alternador donde generará energía eléctrica en virtud de un ciclo termodinámico convencional, o bien será empleado para alimentar procesos industriales. La modalidad de media temperatura aprovecha la energía solar a temperaturas de entre 100 y 300 °C. Por su parte, los sistemas de alta temperatura pueden ser aprovechados para proveer energía eléctrica.

Centrales solares de torre central

El tipo de planta más común es la denominada central termoeléctrica de receptor central, integrada por una vasta superficie cubierta de grandes espejos que reflejan la radiación del Sol, concentrándola en un pequeño punto. Son los denominados heliostatos. Provistos de mecanismos específicos conectados a un ordenador central, estos espejos direccionales se van moviendo según dos ejes de giro, de manera que en todo momento, se encuentran en la posición idónea para recibir la máxima intensidad de la radiación solar y para concentrarla de modo eficaz en el receptor central. Generalmente, el punto receptor se dispone sobre una caldera situada de una torre de gran altura; en este caso se trata de centrales solares de tipos central. En la caldera, la energía calorífica de la radiación solar reflejada es absorbida por un fluido térmico, que va a parar a un generador de vapor. Allí transfiere hasta un segundo fluido, que se encarga de poner en movimiento los álabes grupo turbina-alternador, para generar energía eléctrica. En una fase posterior, el fluido se condensa en un aerocondensador, para la repetición del proceso.

Intercalados en el circuito de calentamiento existen sistemas de almacenamiento térmico, destinados a aumentar y estabilizar la producción de la central sola, que como se ha indicado, depende estrechamente de las horas de insolación. El fluido secundario transmite hasta el dispositivo de almacenamiento la energía calorífica de llegar al grupo turbina-alternador.

Centrales solares con discos parabólicos

En este tipo de instalaciones, las superficies reflectantes adoptan la forma geométrica de un paraboloide de revolución. En el foco del paraboloide, donde se localiza el receptor, se concentra la energía solar captada. El receptor opera como un intercambiador de calor, a través del cual circula el fluido portador de calor. El máximo aprovechamiento de la energía solar se logra gracias a que los discos poseen un sistema de seguimiento de la trayectoria solar según dos ejes. Cada uno de los discos parabólicos puede actuar como unidad independiente o bien integrar un conjunto, originando, al operar de forma interconectada, un sistema de mayor potencia.

Sistemas solares fotovoltaicos

La transformación directa de energía solar en energía eléctrica se verifica a través de instalación de paneles provistos de células fotovoltaicas. Como cualquier onda electromagnética, la luz del Sol transporta energía en forma de un flujo de fotones. Cuando los fotones inciden sobre un determinado tipo de materiales, y siempre que existan las condiciones adecuadas, provocan una corriente eléctrica. Es el denominado efecto fotovoltaico

Las células fotovoltaicas (también llamadas simplemente células solares) son, por tanto, pequeños elementos fabricados con materiales semiconductores cristalinos -normalmente silicio—, que, cuando son golpeadas por la radiación solar, transforman la energía luminosa en energía eléctrica, en virtud del mencionado efecto fotovoltaico.

Las instalaciones que aprovechan la energía solar a partir de células fotovoltaicas han alcanzado menor difusión que las plantas basadas en sistemas de aprovechamiento por vía térmica. Razones económicas explican, al menos en parte, este diferente nivel de desarrollo entre una y otra modalidad.