El oleaje se entiende desde un punto de vista de la ingeniería como un derivado terciario de la energía solar. El calentamiento desigual de la atmósfera terrestre genera viento, y el viento genera olas. Únicamente el 0,01 % del flujo de la energía solar se transforma en energía de las olas. Una de las propiedades características de las olas es su capacidad de desplazarse a grandes distancias sin apenas pérdida de energía. Por ello, la energía generada en cualquier parte del océano acaba en el borde continental, de esta manera, su energía se concentra en las costas.

La energía contenida en las olas varía de un sitio a otro, pero, en general, cuanto más alejadas del ecuador estén, más energía contendrán. Aunque condiciones locales, tales como, tipo de costa, lugar donde se generen y profundidad del océano, tienen una gran importancia en la definición de la cantidad de energía. Según estimaciones, se puede asumir que el flujo de energía de las olas en Europa podría equivaler a 1.000 TWh anuales, cantidades a tener muy en cuenta de cara a una futura expansión en el aprovechamiento de este tipo de energía.

El primer convertidor de energía undimotriz se patentó en Francia en 1799. Sin embargo, el verdadero desarrollo de esta tecnología no comienza hasta el último cuarto del siglo XX. Noruega y Escocia son pioneras y líderes en la tecnología undimotriz en la actualidad.

Noruega instaló en 1985 una planta en su costa cerca de Bergen, en el que se combinaba una columna de agua oscilante con un sistema propio, denominado “canal rematado en punta”. Por su parte, Escocia lleva también años experimentado con estos sistemas en la isla de Islay, e incluso aportando nuevos desarrollos, como el denominado “pato de salter”. Se trata de una especie de conos que al oscilar con las olas impulsan un generador. Países como Estados Unidos, Australia, India, China, Suecia o Japón también están probando distintos sistemas. Asimismo, en Portugal se inauguró el pasado año frente a la localidad norteña de Póvoa de Varzim, el Parque Undimotriz de Okeanós, que ya vierte su electricidad a la red. En este caso se utilizaron tres máquinas Pelamis con capacidad de 2,25 MW. También cuenta con una planta experimental que utiliza una columna de agua oscilante en la isla de Pico, en las Azores.

Existen un gran número de dispositivos pensados para el aprovechamiento de este tipo de energía, en claro contraste con cualquier otro tipo de aprovechamiento de energía renovable. A pesar de que hay unas 1.000 patentes mundiales de generadores energéticos de olas (GEO), los conceptos en los que se basan se pueden clasificar en unos pocos tipos básicos:

1) Columna oscilante de agua: consiste en la oscilación del agua dentro de una cámara semisumergida y abierta por debajo del nivel del mar. Se produce un cambio de presión del aire por encima del agua.

2) Sistemas totalizadores: pueden ser flotantes o fijos a la orilla. Atrapan la ola incidente, almacenando el agua en una presa elevada. Esta agua se hace pasar por unas turbinas al liberarla.

3) Sistemas basculantes: pueden ser tanto flotantes como sumergidos. El movimiento de balanceo se convierte a través de un sistema hidráulico o mecánico en movimiento lineal o rotacional para el generador eléctrico.

4) Sistemas hidráulicos: son sistemas de flotadores conectados entre sí. El movimiento relativo de los flotadores entre sí se emplea para bombear aceites a alta presión a través de motores hidráulicos, que mueven unos generadores eléctricos.

5) Sistemas de bombeo: aprovechan el movimiento vertical de las partículas del agua. Genera un sistema de bombeo mediante un flotador en una manguera elástica.

Un grupo de ingenieros del MIT han empleado nanotubos de carbono de tan sólo una mil millonésima de un metro de espesor para unir materiales aeroespaciales que podría garantizar revestimientos para aviones y otros productos derivados alrededor de 10 veces más fuertes que los materiales empleados en la actualidad.

Además, reforzar con materiales compuestos avanzados con nanotubos son también más de un millón de veces más conductores de electricidad que sus contrapartes sin nanotubos, es decir, los aviones construidos con este tipo de materiales tienen una mayor protección contra los daños causados por rayos, según comentaba Brian L. Wardle, Profesor Asistente en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica.

Wardle es el autor principal de un artículo sobre la teoría de los nuevos materiales compuestos reforzados con nanotubos que se publicará en el Diario de Materiales Compuestos. También hablará sobre este proyecto en una conferencia que se celebra esta semana ante la Sociedad de Ingenieros Plásticos.

Los materiales avanzados utilizados actualmente para muchas aplicaciones aeroespaciales están compuestas de capas, o capas de fibras de carbono que, a su vez, se implementan junto con un polímero adhesivo. Pero el pegamento puede agrietarse y producir separaciones en las capas de fibra de carbono. Como resultado, los ingenieros han explorado una variedad de formas para reforzar la interfaz entre las capas por puntadas, trenzado, tejido o sujeción común.

Todos estos procesos, sin embargo, son problemáticos debido a los relativamente grandes puntos o pines que penetran y dañan las capas de fibra de carbono a sí mismos.

Así que el grupo de ingenieros reforzó las capas de materiales compuestos avanzados con nanotubos alineados perpendicularmente a las capas de fibra de carbono, empleando para ello modelos por computadora. Además el equipo de investigadores dio un paso más allá al desarrollar técnicas de procesamiento para la creación de nanotubos y para incorporarlas posteriormente a los compuestos aeroespaciales.

¿Como funciona el nanostitching?. El polímero adhesivo entre dos capas de fibra de carbono se calienta, miles de millones de nanotubos se colocan perpendicular a la fibra de carbono de cada capa, los cuales son succionados y posteriormente se les incorpora adhesivos a ambos lados de cada capa. Debido a que los nanotubos son 1.000 veces más pequeños que las fibras de carbono, no afecta negativamente a las fibras de carbono más grandes, sino que llena los espacios en torno a ellos, apilando las capas conjuntamente.

Según comentaba Wardle: “Por lo tanto, estamos implementando las fibras más fuertes que conoce la humanidad (los nanotubos) en el lugar en el que el compuesto es más débil, y donde son más necesarios”. Además, señaló que estas mejoras se pueden lograr con nanotubos con menos de un uno por ciento de la masa de los compuestos utilizados hoy en día en general.

Más información: Massachusetts Institute of Technology

Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts han investigado las estructuras de proteínas en base a materiales con el propósito de aprender la clave en el desarrollo de nuevos productos ligeros, y de robusta fuerza. Recientemente descubrieron que el enlace de las proteínas que producen los materiales resistentes no responde al vínculo de la mayoría redundantemente incorporada o del más complicado patrón empleado en la actualidad. En cambio, la disposición óptima de proteínas descubierta se basa en cadenas, respondiendo a un patrón de dos grupos de cuatro bloques de proteínas alfa-helicoidal.

Esta composición de dos jerarquías repetidas (grupos y bloques) proporciona una gran fuerza, la capacidad de soportar presión mecánica sin que se desforme, presentando una gran robustez. Debido a que la proteína alfa-helicoidal sirve como piedra angular de muchos materiales comunes, la comprensión de las propiedades de estos materiales han sido objeto de una intensa investigación científica desde el descubrimiento de la proteína en la década de 1940.

En un artículo publicado en línea el 27 de enero en la revista Nanotechnology, Markus Buehler y Theodor Ackbarow describen el modelo de desempeño de la proteína, sobre la base de simulaciones de dinámica molecular. Con su modelo se puso a prueba la fortaleza y solidez de las cuatro diferentes combinaciones de ocho proteínas alfa-helicoidal: un solo grupo de ocho proteínas, dos grupos de cuatro bloques de proteínas, cuatro grupos de dos bloques de proteínas, y el doble de dos bloques de grupos de proteínas. Basando sus modelos moleculares en un comportamiento realista, incluyeron cadenas de formación de hidrógeno en cadenas enrolladas en las proteínas alfa-helicoidal.

“La forma tradicional de diseñar materiales es examinar las propiedades a nivel macro, pero una manera más eficiente en el diseño de los materiales es jugar con el maquillaje estructural a nanoescala”, decía Buehler, profesor en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental en el MIT. “Esto proporciona un nuevo paradigma en la ingeniería que nos permite diseñar nuevas clases de materiales”.

Cada vez con más frecuencia, las proteínas en materiales naturales se utilizan como inspiración para el diseño de materiales sintéticos que se basan en nanocables y nanotubos de carbono, que pueden ser fabricados para ser mucho más fuertes que los materiales biológicos. Buehler Ackbarow demuestra que la labor de reorganizar el mismo número de elementos en jerarquías a la nanoescala, hacen que un material pueda ser cambiado radicalmente. Esto podría eliminar la necesidad de inventar nuevos materiales enfocados diferentes aplicaciones.

En un estudio de seguimiento realizado por Buehler, Zhao Qin y Steve Cranford, llevaron a cabo pruebas similares en las que utilizaron más de 16.000 elementos en lugar de ocho. Ellos encontraron que el 98 por ciento de los cables dispuestos al azar, hacia que las estructuras no cumpliesen con un rendimiento óptimo al nivel de auto-ensamblado de moléculas naturales, que constituyen el otro 2 por ciento de las estructuras.

Este análisis muestra que los encajes al azar de los elementos típicos conducen a resultados inferiores, y puede explicar por qué muchos materiales en ingeniería todavía no son capaces de combinar diferentes propiedades tales como la solidez y fortaleza. “Sólo unas pocas colocaciones nanoestructuradas constituyen la base material para un óptimo rendimiento, y esto debe ser incorporado en el proceso de diseño de materiales”, decía Buehler.

Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Más información: Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT