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Aunque las bombillas de luz incandescente se han utilizado para iluminar los hogares durante más de cien años, y todavía se usan en la mayor parte del mundo, son ridículamente ineficientes. Esto ha llevado a muchos gobiernos a eliminarlos por completo, entre los que se encuentran la UE, Australia, Canadá, Rusia y Estados Unidos. Su lugar lo han ocupado las bombillas fluorescentes (CFL) y los LED, aún más eficientes. Sin embargo, un equipo del MIT tiene una idea brillante que podría renovar las bombillas desfavorecidas. Han diseñado un nuevo tipo de bombilla incandescente que utiliza un cristal fotónico para reciclar la energía de desecho. Las bombillas resultantes podrían ser más eficientes en energía y luz que cualquier cosa en el mercado en este momento.

Un dispositivo de prueba de concepto construido por MIT. Este nuevo diseño de bombilla incandescente ya es más eficiente que la mayoría de los LED y CFL del mercado. Imagen: MIT

Mucho calor para un poco de luz

La lámpara incandescente fue la segunda forma de luz eléctrica desarrollada para uso comercial después de la lámpara de arco de carbón. Es la segunda lámpara más utilizada en el mundo en la actualidad detrás de las lámparas fluorescentes.

En 1879, Thomas Edison y sus investigadores en Menlo Park estaban experimentando con varios filamentos como el carbono, luego el platino, antes de volver finalmente a un filamento de carbono. En octubre de 1879, el equipo de Edison había producido una bombilla con un filamento carbonizado de hilo de algodón sin recubrimiento que podía durar 14,5 horas. Eventualmente se ganaron el premio gordo cuando encendieron una bombilla que usaba un filamento de bambú carbonizado. Podría durar más de 1200 horas.

Aunque modificado y actualizado, el diseño de las bombillas incandescentes ha cambiado poco desde los días de Edison. Las bombillas incandescentes funcionan enviando corriente eléctrica a través de un material resistivo. Naturalmente, este filamento resistivo generará mucho calor. Los átomos en el material absorben la energía, lo que excita a los electrones alrededor de los átomos saltando temporalmente una órbita más lejos del núcleo. Inevitablemente, colapsa a un orbital más bajo que expulsa energía en forma de fotón.

El calor se emite constantemente a nuestro alrededor. No hay objeto que no irradie. Sin embargo, no podemos ver el calor, no hasta que alcance la intensidad adecuada y las longitudes de onda adecuadas. En una bombilla incandescente, la mayor parte de la energía térmica (95% y más) se emite en el espectro infrarrojo, que está justo debajo de la luz visible. El resto de la energía (menos del 5%) puede verse realmente como emitida en el espectro visible. Esta es una explicación básica, y ayuda a ver una bombilla de luz incandescente como un radiador, que da la casualidad de que brilla un poco de luz. Definitivamente es tan ineficiente como suena. Los LED, por otro lado, son al menos 10 veces más eficientes porque funcionan produciendo calor ligero que es solo un subproducto.

Un artículo publicado en Nature Nanotechnology detalla una forma novedosa de hacer frente a estas horrendas ineficiencias y volver a poner la bombilla incandescente en el mapa. Su diseño involucra un típico filamento de metal calentado, pérdidas de calor y todo. El problema es que está rodeado por un material especialmente diseñado que absorbe la energía infrarroja y la devuelve al filamento donde se reabsorbe y se vuelve a emitir.

El material es un cristal fotónico hecho de elementos abundantes, en otras palabras, barato. Básicamente está hecho de una pila de capas delgadas, depositadas sobre un sustrato. Cuando junta capas, con el grosor y la secuencia correctos, explica el postdoctorado del MIT Ognjen Ilic, es posible obtener un ajuste muy eficiente de cómo el material interactúa con la luz.

Los resultados son bastante impresionantes y demuestran una luminosidad y una eficiencia energética que rivalizan con las de las fuentes convencionales, incluidas las bombillas fluorescentes y LED, dice Alejandro Rodríguez, profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Princeton, que no participó en este trabajo. Los hallazgos, dice, proporcionan más evidencia de que la aplicación de diseños fotónicos novedosos a problemas antiguos puede conducir a dispositivos potencialmente nuevos. Creo que este trabajo revitalizará y sentará las bases para futuros estudios de emisores de incandescencia, allanando el camino para el diseño futuro de estructuras comercialmente escalables.

Además de la eficiencia energética, las fuentes de luz también se clasifican por su eficiencia luminosa, una medida de qué tan bien una fuente de luz produce luz visible. Es la relación entre el flujo luminoso y la potencia. Una eficiencia luminosa incandescente convencional está entre el 2 y el 3 por ciento, los LED se sitúan entre el 5 y el 20 por ciento dependiendo de la calidad de fabricación. En teoría, las bombillas incandescentes de cristal fotónico podrían alcanzar hasta el 40 por ciento.

Sin embargo, en el laboratorio, el equipo logró solo alcanzar una eficiencia del 6,6 por ciento. Este es un resultado preliminar, sin embargo, y con más ajustes podría aumentar drásticamente. Ya parece mejor que la mayoría de las lámparas fluorescentes compactas y LED.

Los investigadores del MIT afirman que este método de reciclaje de luz se puede aplicar a otros sistemas térmicos, como la termofotovoltaica. Estos dispositivos absorben energía del sol o de alguna otra fuente y luego emiten esta radiación de calor en forma de luz que es captada por un sistema fotovoltaico (PV) convencional. Las aplicaciones de iluminación, al menos por ahora, parecen ser las más prometedoras. ¿Quién hubiera pensado que escribiríamos sobre la investigación de la luz incandescente en 2016? Simplemente demuestra, supongo, que todavía hay un enorme tesoro enterrado en tecnología aparentemente obsoleta.

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