A través de Popular Mechanics me he topado con una noticia que me ha parecido muy interesante. Un ingeniero estadounidense (que se hizo rico al inventar la Super Soaker, la pistola de agua con bomba de compresión) está desarrollando una máquina térmica que funciona a escala molecular, sin partes móviles y podría alcanzar el rendimiento de un ciclo de Carnot. No os preocupéis, esto no es como lo de la energía de la orina – va totalmente en serio.

La red bulle de vez en cuando con noticias de inventos supuestamente revolucionarios relacionados con la energía que aún no han sido probados; ¿por qué en este caso no le dedicamos a éste una pedorreta como hemos hecho otras veces, como con lo del agua salada como combustible? Por un lado, por el C.V. del tipo en cuestión, que no es ningún mindundi, y por otro porque tiene financiación de instituciones serias como la National Science Foundation.

Antes de entrar en detalles acerca del invento en cuestión quiero dar una breve biografía del ingeniero que lo ha desarrollado, Lonnie Johnson. Desde luego, lo que haya hecho antes no significa que en este caso tenga razón, pero sirve para ver que no se trata de uno de esos chalados que, sin tener ni idea de nada, anuncia un día de pronto que ha inventado algo revolucionario. Estamos hablando de alguien con más de 100 patentes, algunas de ellas millonarias.

Lonnie Johnson es ingeniero industrial. Tras acabar la carrera entró como ingeniero de desarrollo en el Oak Ridge National Laboratory, y luego se unió a la fuerza aérea estadounidense, donde trabajó en asuntos relacionados con energía nuclear utilizada como propulsión de satélites. Durante tres años (del 79 al 82) trabajó en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA, donde formó parte del equipo que envió la sonda Galileo a Júpiter. En el 82 volvió a la fuerza aérea, donde siguió trabajando como ingeniero y recibió varios premios y medallas. En el 87 volvió a la NASA y trabajó en los proyectos Mars Observer y Cassini. En los años que trabajó en la NASA también recibió varios galardones.

Lo curioso es que en 1989, mientras estaba pensando en cómo conseguir una bomba de calor ecológica que no utilizase freón, se le ocurrió la idea de una pistola de agua con compresor. Formó su propia empresa y vendió el concepto de la Super Soaker. En dos años se había convertido en el juguete más vendido de los Estados Unidos, y a Johnson le supuso una cantidad de dinero tan enorme que se retiró de la NASA y formó una empresa de desarrollo tecnológico centrada en energías, aunque sigue publicando artículos acerca de sistemas de propulsión de naves espaciales y satélites en revistas especializadas. Un personaje interesante.

Aunque su empresa ha desarrollado otros productos, como pilas recargables más eficientes que las actuales, el que nos ocupa hoy, su Johnson Thermoelectric Energy Conversion System (Sistema Termoeléctrico de Conversión de Energía de Johnson, JTEC para abreviar) es mucho más interesante. El sistema de Johnson es una máquina térmica, es decir, utiliza un foco caliente y otro frío para crear un gradiente de presión en un fluido. Sin embargo, a diferencia de la mayor parte de las máquinas térmicas, no tiene pistones ni ejes ni ninguna otra parte móvil macroscópica.

La explicación en la página de la empresa es más bien parca, y yo no soy ingeniero pero muchos de vosotros sí, de modo que no tengáis problema en ampliar información o corregirme sin piedad, y modifico el artículo – eso sí, si podéis dejad alguna fuente para confirmar las cosas.

Crédito: Johnson Electro Mechanical Systems.

Básicamente, el sistema del JTEC es un ciclo cerrado al exterior en el que hay hidrógeno gaseoso. La máquina tiene dos pares de electrodos, cada uno de ellos asociado a una membrana permeable a los protones (núcleos de hidrógeno), que puedes ver en la figura a la izquierda y la derecha. El de la derecha es el asociado al foco caliente (por ejemplo, una combustión, el calor del Sol concentrado por un espejo, etc.), mientras que el de la izquierda está asociado al foco frío (la temperatura ambiente). Como en cualquier otra máquina térmica, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura mayor será el rendimiento.

En la membrana del foco caliente a alta presión (3), el hidrógeno se oxida. Los protones pasan a través de la membrana y los electrones salen del sistema por uno de los electrodos. En el otro lado de la misma membrana, a baja presión pero aún a alta temperatura (4), los protones se reducen con los electrones que llegan por el otro electrodo para formar, una vez más, hidrógeno. Los electrodos de la otra membrana sirven para iniciar el proceso y proporcionar el gradiente de presión inicial, algo parecido a la bujía de un motor de combustión interna. Pero fíjate en que el efecto neto es que en los electrodos de la derecha los electrones se mueven – se está generando una corriente eléctrica a partir de la diferencia de temperatura.

El funcionamiento sigue el ciclo de Ericsson (una compresión isotérmica, un calentamiento isobárico, una expansión isotérmica y un enfriamiento isobárico), que al igual que el de Carnot puede alcanzar el máximo rendimiento posible en una máquina térmica y, como puedes ver en la figura, no involucra intercambio de materia con el exterior. La máquina no utiliza combustible ni quema nada – genera electricidad a partir del calor producido por una fuente externa.

Desde luego, existen otros conceptos, como el motor Stirling, que también utilizan un ciclo muy eficaz y funcionan como un sistema cerrado –sin intercambio de materia con el exterior–. Lo que hace especial a éste en particular es que tiene dos propiedades muy interesantes que, de ser todo lo que afirma Johnson cierto, lo hacen mucho más versátil que otras soluciones similares, y extraordinariamente eficaz para producir energía eléctrica.

En primer lugar, la ausencia de partes móviles como pistones hace que el mantenimiento sea mucho más sencillo y barato. No hay fricción entre piezas, no hay mecanismos que se puedan romper… en este aspecto es similar a una célula de combustible o a una placa fotovoltaica.

En segundo lugar (aunque, en parte, debido a la primera razón) es excepcionalmente escalable. Al no hacer falta mover piezas macroscópicas, con diferencias de temperatura pequeñas y un tamaño muy reducido puede proporcionar energía a MEMS (Sistemas Micro Electro Mecánicos) de escala micrométrica. No hay fuerzas de rozamiento macrosópicas que haga falta vencer. A una escala mucho mayor, puede emplearse para aprovechar el calor perdido en máquinas convencionales (como un motor de combustión), aprovechar energía geotérmica, etc.

La ventaja inmensa que tiene respecto a un panel fotovoltaico, por supuesto, es la flexibilidad en la energía que puede aceptar: puede usarse un espejo parabólico para aprovechar la energía solar, pero también puede usarse calor de cualquier otra fuente, incluyendo las pérdidas de calor de otras máquinas. Cualquier gradiente de temperatura sirve – aunque, por supuesto, el rendimiento no es igual si la diferencia entre los dos focos es muy pequeña.

Además, el JTEC puede funcionar al revés: en vez de generar energía eléctrica a partir de la diferencia de temperatura, si recibe una corriente externa crea un gradiente térmico, es decir, actúa de bomba de calor y puede usarse, por ejemplo, para calefacción.

Johnson no está solo en este empeño: para empezar, su proyecto está financiado por la National Science Foundation. En palabras de Paul Werbos, director del programa en esa institución,

Es como una máquina térmica convencional. Utiliza, como ellas, gradientes de temperatura para crear gradientes de presión. Sin embargo, en vez de utilizar esos gradientes de presión para mover un eje o una rueda, los utiliza para forzar a iones a moverse a través de una membrana. Es una manera totalmente nueva de generar electricidad a partir del calor.

Ahora mismo la empresa de Johnson, Johnson Electro Mechanical Systems, está trabajando junto con la Universidad de Tuskegee (Alabama) para producir un prototipo que se pondrá en funcionamiento, si todo va como esperan, en un año. Este prototipo funcionará con un foco caliente de 200 °C, aunque también están trabajando en membranas cerámicas de grosor micrométrico para que el sistema pueda funcionar hasta a 600 °C. Llegado ese punto, el rendimiento de un ciclo ideal sería de un 60%, el objetivo de Johnson para su invento.

¿En qué acabará todo? Como siempre, no lo sabemos, pero la cosa no tiene mala pinta. Por supuesto, habrá que esperar en primer lugar a que se construya el prototipo y ver si el rendimiento es el esperado. A veces, este tipo de noticias crean frustración, porque da la impresión de que las oyes cuando están en fase de desarrollo y pruebas y nunca vuelves a oír hablar de ellas y cómo acabaron. Por otro lado, antiguamente se desarrollaba un producto durante una década y nadie decía nada, mientras que ahora si no recibes noticias de algo al cabo de un año parece que el proyecto está muerto.

En cualquier caso, acabo de ponerme una alerta en el calendario para, dentro de un año, visitar la página de la empresa de nuevo y, si no hay noticias, escribir pidiendo información de cómo están las cosas, para que esto no se quede en agua de borrajas.

Para saber más: Página de la empresa, Artículo en Popular Mechanics.