En un intento por abordar el cambio climático y reducir la dependencia de los combustibles fósiles, un equipo de investigadores en Suiza está explorando el uso del calor solar para la fabricación de materiales esenciales como el acero y el cemento. Este innovador método podría transformar industrias intensivas en carbono, ofreciendo una alternativa limpia y sostenible.

El estudio de prueba de concepto, liderado por Emiliano Casati de ETH Zurich, utiliza cuarzo sintético para capturar energía solar y generar calor a temperaturas superiores a los 1.000°C (1,832°F). Este avance tecnológico demuestra el potencial del calor solar para suministrar energía a industrias que tradicionalmente dependen de la quema de combustibles fósiles.

"Para abordar el cambio climático, necesitamos descarbonizar la energía en general", señala Casati. "La gente tiende a pensar en la electricidad como energía, pero de hecho, alrededor de la mitad de la energía se usa en forma de calor" añade.

Los materiales como el vidrio, el acero, el cemento y la cerámica son fundamentales para la civilización moderna, utilizados en la construcción de motores de automóviles, rascacielos y otros elementos esenciales. Sin embargo, su fabricación requiere temperaturas extremadamente altas, típicamente superiores a los 1.000°C, lo que hace que estas industrias sean responsables de aproximadamente el 25% del consumo global de energía.

Receptores solares

En su búsqueda de soluciones limpias, los investigadores han explorado el uso de receptores solares que concentran y generan calor mediante miles de espejos que siguen al sol. No obstante, esta tecnología ha enfrentado desafíos significativos en la transferencia eficiente de energía solar a temperaturas extremadamente altas.

Para mejorar la eficiencia de los receptores solares, Casati y su equipo recurrieron a materiales semitransparentes como el cuarzo, capaces de atrapar la luz solar a través del efecto trampa térmica. Diseñaron un dispositivo que une una varilla de cuarzo sintético a un disco opaco de silicio, el cual actúa como absorbente de energía.

Al exponer el dispositivo a un flujo de energía equivalente a la luz de 136 soles, la placa absorbente alcanzó los 1.050°C (1.922°F), mientras que el extremo opuesto de la varilla de cuarzo se mantuvo a 600°C (1.112°F). "Investigaciones anteriores solo han logrado demostrar el efecto trampa térmica hasta 170°C (338°F)", explica Casati. "Nuestra investigación mostró que la trampa térmica solar funciona no solo a bajas temperaturas, sino bien por encima de los 1.000°C. Esto es crucial para demostrar su potencial en aplicaciones industriales del mundo real".

Utilizando un modelo de transferencia de calor, el equipo simuló la eficiencia de la trampa térmica del cuarzo en diversas condiciones. Los resultados mostraron que la trampa térmica puede alcanzar la temperatura objetivo a menores concentraciones con el mismo rendimiento o a mayor eficiencia térmica para una concentración igual. Por ejemplo, un receptor sin protección tiene una eficiencia del 40% a 1.200°C con una concentración de 500 soles, mientras que un receptor protegido con 300 mm de cuarzo alcanza una eficiencia del 70% a la misma temperatura y concentración.

Optimización

Casati y sus colegas están optimizando el efecto trampa térmica e investigando nuevas aplicaciones para este método. Han explorado el uso de otros materiales, como diferentes fluidos y gases, logrando temperaturas aún más altas. Además, descubrieron que la capacidad de estos materiales semitransparentes para absorber luz no se limita a la radiación solar.

"El tema de la energía es fundamental para la supervivencia de nuestra sociedad", concluye Casati. "La energía solar está disponible y la tecnología ya está aquí. Para motivar realmente la adopción industrial, necesitamos demostrar la viabilidad económica y las ventajas de esta tecnología a gran escala" aseveró.

La investigación de Casati y su equipo abre una nueva vía para descarbonizar sectores industriales cruciales, ofreciendo esperanza para un futuro más limpio y sostenible.