NANOTECNOLOGA

NANOTECNOLOGA Y ENERGA SOLAR

:ANDRES GONZALEZ

CRISTIAN MARQUEZ

JUAN PABLO PARRADOFERNANDA SERRATO

RICARDO TRIANA

DOCENTE:VICTOR RAUL GONZALEZ

FUNDACIN UNIVERSIDAD DE AMRICA

FACULTAD DE INGENIERIA

MQUINAS ELECTRICAS

BOGOT D.C20141. NANOTECNOLOGALa nanotecnologa es el estudio, diseo, sntesis, creacin, manejo y aplicacin de materiales, aparatos, y sistemas funcionales en una escala nanomtrica, a travs de las tcnicas y ciencias que se utilizan para facilitar el control de la materia, manipulando las estructuras moleculares y sus tomos a partir de sus propiedades.

Esto da la posibilidad de crear nuevos materiales y mquinas, ya que se manipula el orden de sus molculas y tomos. Lo ms usual es que el manejo se produzca en un rango de uno a cien nanmetros, ya que a esta escala se observan propiedades y fenmenos nuevos, que se basan en las leyes de la mecnica cuntica aprovechndolas para obtener nuevos materiales, o dispositivos, que puedan solucionar ciertos problemas como ambientales, energticos, de salud, pero as mismo podran conllevar riesgos y peligros al ser mal utilizadas o manipuladas, pues debe tenerse en cuenta la toxicidad potencial de la nueva clase de nano sustancias o la aparicin de una plaga gris, que sera la auto replicacin sin control de nanorobots que consumiran toda la materia viva del planeta. Este nuevo avance tecnolgico y losprocesosbiolgicos, qumicos y fsicos a nivel molecular, se convertirn en una de las revoluciones cientficas ms importantes para la humanidad, la cual debe ser difundida e incorporada en lasociedad, puesto que es posible su utilizacin en distintos campos del conocimiento, como lo son la biologa molecular, la qumica, la medicina, y la informtica, entre otras. Pues gracias a lo que cada una de ellas pueda aportar tanto terica como prcticamente en cada uno de los campos, se puede investigar y desarrollar para mas a fondo las dems complementando y dando mejores resultados en la bsqueda de mejorar las necesidades humanas. La nanotecnologa fue desarrollndose inicialmente para la comprensin del ADN, ya que ayuda a la regulacin de los procesos del organismo, al poder modificar y disponer el ordenar de las molculas segn las necesidades que se presenten. 1.1. HISTORIA

Uno de los pioneros en el campo de la Nanotecnologa es el Fsico estadounidenseRichard Feynman, que en el ao 1959 en un congreso de la sociedad americana de Fsica enCalltech, pronunci el discurso Theres Plenty of Room at the Bottom (Hay mucho espacio ah abajo)en el que describe un proceso que permitira manipular tomos y molculas en forma individual, a travs de instrumentos de gran precisin, de esta forma se podran disear y construir sistemas en la nanoescala tomo por tomo, en este discurso Feynman tambin advierte que las propiedades de estos sistemas nanomtricos, seran distintas a las presentes en la macroescala.

En 1981 el Ingeniero estadounidenseEric Drexler, inspirado en el discurso de Feynman, publica en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences,el artculo Molecular engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation en donde describe mas en detalle lo descrito aos anteriores por Feynman. El trmino Nanotecnologa fue aplicado por primera vez por Drexler en el ao 1986, en su libro Motores de la creacin: la prxima era de la Nanotecnologa en la que describe una mquina nanotecnolgica con capacidad de autoreplicarse, en este contexto propuso el trmino de plaga gris para referirse a lo que sucedera si un nanobot autoreplicante fuera liberado al ambiente.

Adems de Drexler, el cientfico JaponsNorio Taniguchi,utiliz por primera vez el trmino nano-tecnologa en el ao 1974, en la que define a la nano-tecnologa como el procesamiento, separacin y manipulacin de materiales tomo por tomo.

1.2. TIPOS DE NANOTECNOLOGA

SEGN LA FORMA DETRABAJO:

Top-down:Reduccin de tamao. Los mecanismos y las estructuras se miniaturizan a escala nanomtrica. Este ha sido el ms frecuente, en el mbito de laelectrnicadonde predomina la miniaturizacin. Bottom-Up:Auto ensamblado. Se comienza con una estructura nanomtrica como una molcula y mediante unprocesode montaje o auto ensamblado, se crea un mecanismo mayor que el mecanismo con el que se comenz. Permite que la materia pueda controlarse de manera extremadamente precisa.SEGN EL CAMPO EN EL QUE SE TRABAJA:

Nanotecnologa Hmeda: Se basa en sistemas biolgicos que existen en un entorno hmedo incluyendo material gentico, membranas, encimas y otros componentes celulares.

Tambin se basan en organismos vivientes cuyas formas, funciones y evoluciones, son gobernados por las interacciones de estructuras de escalas nanomtrica.

Nanotecnologa Seca: Se dedica a la fabricacin de estructuras en carbn, y materiales inorgnicos, metales y semiconductores.

Tambin est presente en la electrnica,magnetismoy dispositivos pticos.

Nanotecnologa Seca y Hmeda: Es una combinacin de la nanotecnologa hmeda y la nanotecnologa seca, por ejemplo una cadena de ADN seprogramapara forzar molculas en reas muy especficas dejando que uniones covalentes se formen slo en reas muy especficas.

Lo que se obtiene se puede manipular para permitir el control posicional y la fabricacin de nanoestructuras.

Nanotecnologa computacional: Se puede trabajar en el modelado ysimulacinde estructuras complejas de escala nanomtrica.

Se puede manipular tomos utilizando los nanomanipuladores controlados porcomputadoras.

1.3. BENEFICIOS El agua: Filtros fsicos con poros de una escala nanomtrica pueden eliminar el 100% de bacteras,virus. Una tecnologa de separacin elctrica que atrae a los inoes a lminas supercapacitor puede eliminar sales y metales pesados.

Sector agrcola: Se podran construir invernaderos, con o sin aislamiento termal, a un coste muy bajo, el uso de los invernaderos para la produccin agrcola reducira a su vez el consumo de agua, tierras ydaocausado ala tierra.Energa solar almacenable reducir emisiones de ceniza, holln, hidrocarbono, NO, CO2 ypetrleo.

Energa solar: Alternativas como la generacin de laelectricidadsolar dependera de la conversin fotovoltaica o de la concentracin deluzsolar directa.

Entorno de las personas: La capacidad de eliminar ciertos insectos tendra un impacto favorable sobre ciertasenfermedades. Aislamiento termal en edificios resulta en ambientes ms cmodos y reduce el consumo de energa. Sistemas de tuberas paraaguay para el tratamiento de residuos incrementan el nivel de higieney reduce enfermedades. Mejores sistemas de alcantarillados para una mejor salud en alojamientos ms dignos. Brecha digital: Ordenadores y telfonos celulares y mviles podran ser accesibles econmicamente para la gente ms pobre en el mundo y podran incorporar interfaces de voz para usuarios analfabetos.

La medicina: Algunas de lasinvestigacionesms recientes en la bsqueda de tratamientos alternativos contrael cncerfueron difundidas por un grupo de investigadores estadunidenses. En ellas se usaron nanopartculas deoropara el tratamiento del mal, de cristal baadas enorocapaces de invadir un tumor y, cuando se calientan a travs de unsistemaremoto, capaces de destruirlo, cuando se dirigen rayos de luz infrarrojos a la localizacin del tumor, bien desde el exterior, o bien a travs de una sonda, las partculas absorben la luz y se calientan. El resultado es que los tumores se calientan ms que los otros tejidos alrededor, y se mueren. Lo que representa un gran logro para el combate contra esta enfermedad, a pesar de que puedan transcurrir varios aos antes de su aplicacin en seres humanos.Pequeoscensores, ordenadores y diversos aparatos implantables de bajo costo permitirn un control continuo sobre la salud de pacientes as como tratamiento automtico, lasherramientasdela investigaciny la prctica de la medicina sern menos costosas y ms potentes.

1.4. APLICACIONES

Existen ciertos productos en los que la nanotecnologa ya se ve presente en distintos campos, donde su utilizacin a largo y mediano plazo es variable puesto que es infinita. Los campos que estn experimentando continuos avances son:- Energas alternativas, energa del hidrgeno, pilas (clulas) de combustible, dispositivos de ahorro energtico. Mejores tcnicas fotovoltaicas para fuentes de energa renovable.- Administracin de medicamentos, especialmente para combatir el cncer y otras enfermedades.

- Computacin cuntica, semiconductores, nuevos chips.- Seguridad. Microsensores de altas prestaciones. Industria militar.- Aplicaciones industriales muy diversas: tejidos, deportes, materiales, automviles, cosmticos, pinturas, construccin, envasados alimentos, pantallas planas, como por ejemplo: Envolturas "inteligentes" para el mercado dealimentos, que dan a los productos una apariencia de alimento fresco y de calidad.Tecnologas visuales que permiten pantallas mejores, ms ligeras, finas y flexibles.Cremas de proteccin solar con nanopartculas que absorben los rayos UV.Gafas y lentes con capas totalmente resistentes e imposibles de rayar.Y aparatos tan diversos y comunes como impresoras, tocadores de CDs, airbags etc., cuya versiones ms modernas contienen componentes logrados a travs de la nanotecnologa.- Nuevos censores para aplicaciones en la medicina, en el control medioambiental y en la fabricacin de productos qumicos y farmaceuticos.- Prestaciones aeroespacioles: nuevos materiales, etc. Utilizando materiales ms ligeros y ms fuertes para la defensa, las industrias aeronatica y automvil y aplicaciones mdicas.- Las llamadas tcnicas de diagnstica "Lab-on-a-chip" (literalmente "Laboratorio-en-un-micro(nano)chip".2. ENERGA SOLAREl Sol convierte cada segundo 564 millones de toneladas de hidrgeno en 560 millones de toneladas de helio, cuatro millones de toneladas de materia se transforman en energa solar.Se irradia al espacio en forma de partculas de alta energa y de radiacin electromagntica es aproximadamente de 5.6 x 10 GeV.

La Tierra recibe en el exterior de su atmsfera un total de 1.73 x 10 kW, o sea 1.353 kW/m (constante solar, 3 %).

Se trata de un proceso fsico, por medio del cual se transmite energa en forma de ondas electromagnticas, en lnea recta, sin intervencin de una materia intermedia, a 300.000 km por segundo.

Cuando esta radiacin alcanza el lmite superior de la atmsfera est formada por rayos de distinta longitud de onda: Los rayos ultravioletas: no son visibles y tienen muy pequea longitud de onda.

Los rayos luminosos: son los nicos visibles; su longitud de onda corresponde al violeta y al rojo, respectivamente, ya que vara entre 0,36 y 0,76 micrones.

Los rayos trmicos o calorferos: tampoco son visibles y su longitud de onda es mayor de 0,76 micrones. Son los rayos infrarrojos.

La intensidad calorfica de la radiacin solar, medida en el lmite superior de la atmsfera, es por lo general constante en el tiempo.

2.1. RADIACIN GLOBAL

Radiacin difusa: Es la que sufre cambios en su direccin principalmente debido a la reflexin y difusin en la atmosfera.

Radiacin directa: Es la recibida desde el sol directamente.Radiacin de albedo: Es la radiacin directa y difusa que se recibe por reflexin en el suelo u otras superficies prximas.

Los equipos que son utilizados para la medicin de la radiacin solar son:

Radiacin de albedo: Es la radiacin directa y difusa que se recibe por reflexin en el suelo u otras superficies prximas.

Pirhelimetros: sirven para medir la radiacin solar directa, permite deducir la intensidad de la radiacin directa a partir de lecturas termomtricas sucesivas, abriendo y cerrando alternativamente la entrada del dispositivo. (Disco de plata de Abbot).Piranmetros: sirven para medir la radiacin global, directa y difusa. Los ms usuales se basan en la deteccin de la diferencia de temperaturas entre una superficie negra y una superficie blanca mediante termopilas o clulas fotoelctricas, que deben estar protegidas del viento y compensadas para cambios ambientales, mediante una doble semiesfera de vidrio para suprimir los fenmenos de conveccin. Mediante un nivel se consigue la horizontalidad del aparato. (Kipp and Zoen).

2.2. FORMAS DE APROVECHAMIENTO:

Aprovechamiento pasivo: no requiere ningn dispositivo para captarla. Arquitectura solar pasiva o bioclimtica para sistemas de calefaccin o iluminacin solar.

Deshidratacin de productos agrcolas. Aprovechamiento activo: se basan en la captacin de la radiacin solar por medio de elementos denominado colector o celdas solares.

Energa solar trmica: se basa en la obtencin de calor para su posterior uso.

Produccin de agua caliente

Deshidratacin de productos agrcolas.

Climatizacin de recintos

Produccin de fro

Desalinizacin de agua La energa solar trmica consiste en el aprovechamiento de la energa solar mediante el uso de colectores o paneles solares trmicos.

Un sistema solar trmico es el conjunto de componentes mecnicos, elctricos y electrnicos que permite captar la energa solar disponible y transformarla en calor de forma que se pueda utilizar en diferentes necesidades.

Energa solar fotovoltaica: se basa en la obtencin de energa elctrica para su posterior uso.Se pueden encontrar tres tipos de tecnologas trmicas y equipos trmicos dependiendo las necesidades que se busquen satisfacer, entre estas tecnologas y equipos se encuentran:

2.3. TECNOLOGAS:

- Tecnologa de baja temperatura: sistemas de energa solar en los que el fluido calentado no alcanza el punto de ebullicin (100 C). Estas instalaciones se caracterizan por emplear como elemento receptor de energa un colector o panel de placa plana o de vaco. - Tecnologa de media: Estos sistemas se utilizan para generar vapor a altas temperaturas para procesos industriales, para producir energa elctrica, para desalar agua de mar o para la produccin de frio. El rango de temperatura de operacin es entr 250 400 C. Estas instalaciones se caracterizan por usar colectores cilindro - parablicos.

- Tecnologa de alta temperatura: Corresponde a instalaciones industriales donde la generacin de vapor esta destinada a la produccin de energa elctrica. Centrales solares con temperatura mayor a 600 C.

2.4. EQUIPOS:

Colectores solares sin concentracin: Estos colectores se caracterizan por no poseer mtodos de concentracin de energa solar, por lo que la relacin entre la superficie del colector y la superficie de absorcin es prcticamente la unidad.

Colectores Solares de Concentracin: Usan sistemas especiales con el fin de aumentar la intensidad de la radiacin sobre la superficie absorbente y de este modo conseguir altas temperaturas en el fluido caloportador. La principal complicacin que presentan es la necesidad de un sistema de seguimiento para conseguir que el colector est permanentemente orientado en direccin al Sol. Colector Placa plana: Aprovecha el efecto invernadero, formado por una cubierta transparente que modifica la longitud de onda de los rayos solares a su paso. Emplea una serie de tubos de cobre, los cuales absorben la radiacin solar y se la transmiten al fluido que atraviesa su interior. Su aplicacin es la produccin de agua caliente sanitaria, climatizacin de piscinas y calefaccin.

Colectores cilndricos: Su superficie reflectora es la mitad de un cilindro. Su aplicacin principal es la produccin de vapor en una central trmica.

Colectores parablicos: Su superficie reflectora presenta una geometra de paraboloide de revolucin. Su aplicacin principal es la produccin de vapor a escala industrial.

Colector torre central: Su funcionamiento se basa en el uso de heliostatos. Su aplicacin es en centrales trmicas solares.

Adems de encontrar en el aprovechamiento activo, la energa solar trmica, se encuentra la energa sola fotovoltaica, que es cuando se obtiene energa elctrica por medio de la transformacin directa de la energa del sol. En este proceso se encuentran diferentes componentes que facilitan la obtencin de energa como lo son:

Panel fotovoltaico: Transformar la energa solar en energa elctrica. Regulador de carga: El fin principal consiste en evitar picos de carga que afecten la operacin de equipos. Batera: Almacenar la energa elctrica generada. Inversor: Realizar la conversin de CC a CA.

La potencia pico corresponde la potencia que el mdulo puede entregar bajo condiciones estandarizadas, que son: Radiacin de 1000 W/m.

Temperatura 25 C.

Los mdulos fotovoltaicos o solares presentan una salida elctrica de DC, no presentan partes mviles ni emisin de contaminantes en su operacin.

Los mdulos fotovoltaicos son modulares, lo que indica que pueden ser modificados en tamao incluso despus de su montaje.

Los fotones contenidos en la luz transmiten su energa a los electrones de los materiales semiconductores. El efecto opera al crear juntas de Silicio tipo N y P (materiales dopados), la cual crea un campo elctrico.

La eficiencia depende la temperatura de operacin y decrece con la misma. Cada uno de los materiales empleados en la fabricacin de celdas presenta un comportamiento diferente para diversos rangos de temperatura. Existen dos formas de conexin, en paralelo o en serie.

Conexin en paralelo: se consigue uniendo todos los polos del mismo signo, produce una intensidad igual a la suma de la intensidad de todos los paneles. Y una tensin igual a la de un elemento.

Conexin en serie: se consigue uniendo todos los polos opuestos, produce una intensidad igual a la de un elemento. Y una tensin igual a la suma de la tensin de todos los elementos.

Los promedios de radiacin solar multianual para Colombia presentan zonas con gran potencial para la implementacin de proyectos de aprovechamiento de energa solar tanto trmica como fotovoltaica.

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