Archivo de mayo, 2020

Desarrollo de una nueva metodología para detectar deformaciones inducidas por gravedad en heliostatos

Autor: Alejandro Martínez, IMDEA Energía

Los heliostatos son los concentradores solares que se emplean en las centrales solares de torre central. Se componen de uno o varios espejos, denominados facetas, anclados a una estructura que sigue al sol mediante un sistema de seguimiento de doble eje. Su objetivo es reflejar la radiación solar y dirigirla al receptor, situado en la parte más alta de la torre, para generar calor y producir, por ejemplo, electricidad. Uno de los principales problemas de este tipo de concentradores es que debido a su gran peso y tamaño (~ 100 m2), su estructura está sujeta a posibles deformaciones por efecto de la gravedad. Estas deformaciones influyen negativamente en la eficiencia óptica del concentrador, por lo que su conocimiento y estudio resulta de gran interés para poder minimizar sus efectos adversos. En la Unidad de Procesos de Alta Temperatura (UPAT) del Instituto IMDEA Energía han desarrollado una nueva metodología que permite detectar este tipo de deformaciones. Tradicionalmente, el efecto de cargas estáticas, como la gravedad, en la estructura de los heliostatos, se estudia mediante modelos basados en el análisis de elementos finitos. Esta nueva metodología, por el contrario, se basa en el análisis de los mapas de flujo producidos por la radiación reflejada por el heliostato al impactar sobre un blanco.

La metodología desarrollada por la UPAT se basa en adquirir varios mapas de flujo a distintas horas del día, es decir, para diferentes posiciones y por lo tanto para diferentes repartos de la carga gravitatoria sobre la estructura del heliostato, y después compararlos con sus correspondientes mapas de flujo numéricos. Para simular éstos últimos debe conocerse la forma exacta de la superficie del heliostato para una posición en concreto, por lo que previamente debe haberse empleado alguna técnica de caracterización óptica como, por ejemplo, la deflectometria. La comparación entre los mapas de flujo numérico y experimental se lleva a cabo mediante el coeficiente de correlación de Pearson. En el caso de que la estructura del heliostato sea lo suficientemente rígida, las deformaciones serán despreciables, por lo que la correlación entre los mapas de flujo numérico y experimental no dependerá de la hora del día. Por el contrario, si las deformaciones son notables, la correlación entre ambos mapas será máxima para el mapa de flujo experimental adquirido en la posición más próxima a aquella en la que se caracterizó la superficie del heliostato.

Figura 1: (a) Campo de heliostatos ubicado en instituto IMDEA Energía. (b) Superposición de los mapas de flujo numérico y experimental de un heliostato de la instalación para su posterior comparación.

Esta novedosa metodología, a pesar de no ofrecer información sobre el tipo de deformaciones inducidas en la estructura, permite determinar fácilmente la existencia o no de éstas. Además, proporciona información de manera directa sobre el impacto de las mismas en la eficiencia óptica del concentrador, permitiendo predecir si existirán, por ejemplo, pérdidas por desbordamiento. Esta metodología ha sido aplicada en el campo solar ubicado en el instituto IMDEA Energía, concluyendo que sus heliostatos no adolecen de deformaciones apreciables, posiblemente debido a su pequeño tamaño, de tan solo 3 m2.

Referencias

Martínez-Hernández, A., Gonzalo, I. B., Romero, M. & González-Aguilar, J. (2020) Determination of Gravity-Induced Deformations of Heliostat Structures through Flux Maps Analyses. In Proceedings ISES Solar World Congress 2019, under review.

Contacto

José González Aguilar, Responsable del grupo IMDEAE-UPAT en ACES2030-CM - jose.gonzalez@imdea.org

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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¿Viene la vida del espacio? Fotoquímica en el medio interestelar

Autor: Gonzalo Santoro, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

El medio interestelar es un lugar frío, inhóspito y eminentemente vacío. Parece difícil imaginar, por tanto, que estas regiones del espacio presenten una química rica y compleja. Sin embargo, es posible que en las denominadas nubes moleculares densas se hayan formado moléculas esenciales para la vida tales como los aminoácidos. De hecho, el aminoácido más simple, la glicina, se detectó por primera vez en el medio interestelar hace casi veinte años [1], aunque sigue siendo el único que se ha detectado en el espacio.

El medio interestelar está constituido por la materia – fundamentalmente hidrógeno y helio – y la radiación que existe entre las estrellas. Es éste un medio extremadamente diluido con densidades medias de 1 partícula por cm3, llegándose en determinadas regiones a presiones de tan sólo 10-4 partículas por cm3. De entre los distintos entornos del medio interestelar, las nubes moleculares densas ­– masas de gas y polvo a temperaturas de entre 10 K y 20 K­ – son las regiones de mayor densidad con un número de moléculas por cm3 de entre 102 y 106, un número que continúa siendo minúsculo si lo comparamos con la densidad de moléculas de la atmósfera terrestre, que es de 1019 moléculas por cm3.

En estas condiciones, las moléculas en fase gas condensan sobre la superficie del polvo disperso en las nubes moleculares, de manera que los granos de polvo se encuentran recubiertos de hielo. Así, los granos de polvo interestelar actúan como puntos de nucleación del hielo interestelar de manera que localmente se alcanza una concentración de moléculas suficiente como para que interaccionen.

Estos hielos están compuestos mayoritariamente por agua, dióxido y monóxido de carbono y metanol, junto con metano, amoníaco, formaldehído y ácido fórmico en menores cantidades. Todas estas moléculas, se formaron directamente en fase gas en las etapas más tardías de la vida de las estrellas y fueron expulsadas al medio interestelar junto con el polvo cósmico, que también se formó principalmente en estrellas moribundas, y que se compone en su mayor parte de carbono hidrogenado, carburo de silicio y silicatos.

No obstante, a pesar de que localmente la concentración de moléculas en los hielos interestelares es muy superior a la que presenta la materia gaseosa de las nubes moleculares, la energía térmica no es suficiente para promover reacciones químicas y es aquí donde la fotoquímica entra en juego.

Como se ha comentado previamente, el medio interestelar no es sólo materia sino también radiación y las nubes moleculares están sometidas a una intensa radiación cósmica (rayos gamma) y a radiación ultravioleta. Estas radiaciones son lo suficientemente energéticas como para iniciar y sostener reacciones químicas en los hielos de las nubes moleculares densas.

Hace casi dos décadas – y sólo un año antes de que la glicina se detectara en el espacio – se demostró en el laboratorio la síntesis de aminoácidos a partir de la irradiación ultravioleta de mezclas de hielos análogas a las del medio interestelar [2]. De hecho, esos experimentos observaron no sólo la síntesis de glicina, sino también de aminoácidos más complejos como la serina o el ácido aspártico. Más recientemente, se ha observado en el laboratorio que la fotoquímica de hielos análogos a los del medio interestelar puede dar lugar a la síntesis de azúcares, incluida la ribosa, una de las unidades moleculares del ARN [3]. Así, la simulación en el laboratorio de las condiciones y procesos del medio interestelar constituye una herramienta fundamental para la astroquímica y, además, ayuda enormemente a los astrónomos a centrar sus observaciones del espacio.

Los pilares de la creación (izquierda) es una de las fotografías más icónicas del telescopio espacial Hubble. Estas masas de gas y polvo (nubes moleculares) se encuentran en la nebulosa del Águila a unos 6500 años luz de la Tierra. Para simular estos entornos espaciales, en el grupo ESISNA, hemos diseñado y construido una máquina de ultra alto vacío (derecha) que nos permite investigar mecanismos plausibles para la formación de moléculas biológicas en el espacio.

En el grupo ESISNA del ICMM, dentro del proyecto europeo Nanocosmos, hemos diseñado y construido una máquina para estudiar en el laboratorio la formación de polvo cósmico en estrellas evolucionadas, es decir, en las últimas etapas de su vida, así como los procesos que experimenta el polvo cósmico en el espacio [4, 5]. Esta máquina – denominada Stardust por razones obvias –  tiene un módulo específico para simular la formación y el procesado de hielos de interés astrofísico, permitiendo investigar, entre otras cosas, la fotoquímica de hielos en las condiciones que se dan en las nubes moleculares densas.

Con este módulo estamos investigando actualmente la incorporación de oxígeno y nitrógeno a hidrocarburos alifáticos – empezando por los más sencillos, es decir, los alcanos – mediante irradiación ultravioleta en mezclas de hielos análogas a las que podrían encontrarse en las nubes moleculares. Muy recientemente, la misión Rosetta ha confirmado la presencia de hidrocarburos alifáticos en cometas, incluyendo alcanos lineales hasta el heptano [6, 7]. La composición molecular de lo volátiles en los cometas es extremadamente similar a la de las nubes moleculares y, por tanto, a pesar de que aún no se hayan detectado alcanos en el medio interestelar, es muy probable que existan. De hecho, simulando en nuestro laboratorio la formación de polvo cósmico en estrellas evolucionadas ricas en carbono, que son las que sintetizan hidrocarburos, ­hemos demostrado que estas estrellas generan predominantemente material alifático [4], que posteriormente es expulsado al medio interestelar y se dispersa por el espacio. Por desgracia, la detección de alcanos en el medio interestelar no es trivial, ni mucho menos; en el caso de los cometas ha habido que esperar hasta que una misión espacial, la misión Rosetta, orbitara un cometa y una de sus sondas se posase sobre su superficie.

Los procesos que estamos investigando actualmente en nuestro laboratorio permiten explorar la síntesis de aminoácidos alifáticos a partir de hielos de alcanos y validar mecanismos plausibles para la formación en el espacio de moléculas biológicas prebióticas, contribuyendo de esta forma a aumentar nuestro conocimiento sobre cómo pudo empezar la vida en la Tierra. Quizá no seamos sólo polvo de estrellas sino también hielo interestelar.

Referencias

[1] Kuan, Charnley, Huang et al. Interstellar Glycine, The Astrophysical Journal 593, 848 (2003).

[2] Muñoz-Caro, Meierhenrich, Schutte et al. Amino acids from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogues, Nature 416, 403 (2002).

[3] Meinert, Myrgorodska, Marcellus et al. Ribose and related sugars from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogs, Science 352, 208 (2016).

[4] Martínez, Santoro, Merino et al. Prevalence of non-aromatic carbonaceous molecules in the inner regions of circumstellar envelopes, Nature Astronomy 4, 97 (2020).

[5] Santoro, Martínez, Lauwaet et al. The chemistry of cosmic dust analogues from C, C2, and C2H2 in C-rich circumstellar envelopes, The Astrophysical Journal (accepted) arXiv:2005.02902.

[6] Schuhmann, Altwegg, Balsiger et al. Aliphatic and aromatic hydrocarbons in comet 67P/Churyumov-Gerasimenko seen by ROSINA, Astronomy & Astrophysics 630, A31 (2019).

[7] Raponi, Ciarniello, Capaccioni et al. Infrared detection of aliphatic organics on a cometary nucleus, Nature Astronomy 4, 500 (2020).

Contacto

Gonzalo Santoro, Investigador del Grupo ESISNA del Programa FotoArt-CM, gonzalo.santoro@icmm.csic.es

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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