Archivo de junio, 2013

Materiales para generación de energía eléctrica: superficies optimizadas para la transmisión de calor

Una de las etapas importantes en las centrales de producción de energía eléctrica es la condensación de vapor de agua. Un reciente estudio, pubicado en Scientific Reports, describe cómo puede mejorarse en un 100% la eficiencia de la transmisión de calor en esta etapa con una superficie heterogénea combinando diferentes materiales.

En las centrales termoeléctricas actuales se convierte calor en energía mecánica y después eléctrica mediante un ciclo termodinámico realizado por agua. Primeramente, se aumenta la presión de agua líquida en una bomba. Después, el agua se calienta, haciendo que pase a estado vapor y aumente su temperatura (a partir del calor generado mediante combustibles fósiles, mediante energía nuclear o incluso mediante energía solar). Después este vapor de agua a alta presión se emplea para hacer girar una turbina y posteriormente el vapor debe enfriarse y condensarse en un condensador. Típicamente se emplea el agua fría de un río para enfriar el condensador.

En el condensador, se consigue una buena eficiencia (lo cual supone un menor tamaño y coste del condensador) si se realiza fácilmente el intercambio de calor entre el vapor de agua que se quiere condensar y los materiales del condensador. Pues bien, en este intercambio de calor influye el proceso de formación y desprendimiento de las gotas de agua condensada en la superficie. Una buena eficiencia se consigue si la superficie favorece la nuceación de muchas gotas de agua, un mayor contacto entre cada gota y la superficie (mejor transmisión de calor) y el desprendimiento de las gotas cuando tienen un tamaño pequeño (frente al crecimiento hasta grandes tamaños) para permitir la condensación de nuevas gotas.

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Condenación de vapor en una tubería de cobre optimizada con pequeñas zonas hidrófilas, superficie nanoestructurada y recubrimiento de aceite, obtenida por el grupo de la Pfrof. Evelyn N. Wang.

En épocas recientes se habían hecho los mayores esfuerzos para conseguir superficies hidrófobas que favorecieran el desprendimiento de las gotas. El trabajo mencionado, liderado por la Profesora de Ingeniería Mecánica Evelyn N. Wang, ha pretendido la mejora de la superficie en los tres aspectos. De este modo, la superficie diseñada por su equipo contiene pequeñas zonas hidrófilas que favorecen la nucleación de gotas, una nanorugosidad combinada con micropilares que favorecen el deslizamiento de las gotas y una capa de aceite que favorece el mayor contacto entre las gotas y la superficie, mejorando la transmisión de calor en las gotas.

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Estudiar Ingeniería de Materiales el próximo curso

Actualmente se puede estudiar Ingeniería de Materiales en varias universidades españolas (ya era posible hacerlo en seis universidades publicas el curso pasado).

En nuestro caso, la Universidad Politécnica de Madrid ha anunciado una jornada de puertas abiertas dirigida a los interesados en estudiar el Grado en Ingeniería de Materiales. Tendrá lugar el próximo miércoles 19 de junio de 2013 a las 17:00 h. Además de una presentación de la titulación y de un coloquio con alumnos y profesores, la jornada incluye una visita a las instalaciones de la Escuela.

Más información: jornada de puertas abiertasweb de los estudios de Ingeniería de Materiales en la UPM.

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Las láminas de grafeno mantienen una elevadísima resistencia incluso con defectos

Después de haberse publicado en el último número de la revista Science un trabajo en el que se analiza el efecto de los defectos sobre la resistencia de las láminas de grafeno, estos días podemos leer cómo los medios se hacen eco de la noticia.

En las láminas de grafeno los átomos de carbono se disponen ordenadamente ocupando los vértices de una red bidimensional de hexágonos. Es difícil técnicamente producir una lámina de grafeno de grandes dimensiones y que sea monocristalina, es decir, que la red ordenada de hexágonos se extienda perfectamente a toda la lámina. A cambio, lo esperable es que se produzcan láminas policristalinas, esto es, con diferentes dominios en cuyas fronteras se produce un cambio de orientación en la red de átomos.

Láminas de grafeno y nanotubos ideales obtenidos enrollando una lámina de grafeno, haciendo coincidir el extremo A del vector OA (n,m) con su origen O, de manera que OA sea la circunferencia directriz del cilindro: (a) AO (9,0) Estructura en zig-zag; (b) AO (5,5) estructura en armchair; (c) AO (10,5) estructura quiral.

Para nuestros lectores más jovenes, queremos aclarar que muchos de los materiales que habitualmente utilizamos tienen una estructura ordenada a nivel atómico. Se habla así de materiales cristalinos (en realidad, policristalinos, por contener granos cristalinos). Por ejemplo, el aluminio con el que se construyen muchas de nuestras ventanas, el acero utilizado en las estructuras de nuestros edificios o el cobre de los cables eléctricos son materiales policristalinos. Se llaman granos a las regiones dentro de las cuales no varía la orientación del ordenamiento cristalino. Las fronteras entre granos cristalinos se llaman bordes de grano. El vidrio de nuestras ventanas es un material transparente y, aunque confusamente en castellano solemos emplear la palabra cristal para referirnos a ese material, el vidrio no es un material cristalino, ya que a nivel atómico el material presenta un desorden característico de los materiales no cristalinos o amorfos.

Pues bien, el trabajo sobre láminas de grafeno del que hablamos ha sido llevado a cabo por un equipo formado por investigadores de universidades y centros de investigación en EE.UU y en Korea. En sus ensayos han utilizado microscopía de fuerzas atómicas para estudiar las propiedades mecánicas del material. Sus resultados muestran que la presencia de bordes de grano no modifica la rigidez del material y apenas reduce la resistencia.

Recordemos aquí que la resistencia de las láminas de grafeno es la más alta que se ha medido hasta ahora para cualquier material. La tensión de rotura es del orden de 100 GPa (que equivale a unos 33 N/m para la lámina). A modo de comparación, el acero que habitualmente se utiliza en las estructuras de nuestros edificios tiene una resistencia significativamente del orden de 0.5 GPa.

Los resultados del trabajo mencionado son una buena noticia de cara a las futuras aplicaciones de láminas de grafeno, por ejemplo en dispositivos electrónicos. De hecho una de las universidades participantes forma parte del grupo Samsung.

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