Electricidad embotellada

A. González Arias

    

Durante muchos siglos primero el barro, y después el vidrio, fueron los materiales preferidos para confeccionar botellas; hoy día los plásticos han tomado la delantera. Es posible embotellar productos muy diferentes: vinos, limpiadores, aceites, jarabes… en fin, cualquier líquido que a Ud. se le ocurra.  Pero… ¿también la electricidad?

Pues resulta que si. 

La electricidad -o mejor dicho, las cargas eléctricas- también se pueden ‘embotellar’.  Pero las vasijas que se emplean con este fin se llaman de otra forma: condensadores o capacitores.

El primer condensador de volumen relativamente pequeño de que se tiene noticia fue realmente una botella, inventada en 1745 por el holandés Pieter van Musschenbroek, profesor de filosofía natural de la Universidad de Leyden.

En la botella de Leyden (figura 1) las cargas generadas en una fuente adecuada se conducen mediante un alambre conductor hacia la armadura de plomo en el interior de la botella, a través de un tapón aislante.  Esas cargas inducen cargas de signo contrario en la superficie exterior, incapaces de atravesar el vidrio, también aislante.  Al retirar el alambre, quedan almacenadas dentro de la botella.

Si posteriormente se une el interior a tierra con un conductor, las cargas de signo contrario tenderán a neutralizarse, estableciéndose una corriente eléctrica capaz de entregar energía, a veces en forma de chispa. De ahí que, al igual que las pilas y baterías, los condensadores son capaces de almacenar la energía eléctrica para ser utilizada cuando se le necesite.

 La diferencia esencial entre un condensador y una batería es que los primeros pueden entregar la energía almacenada mucho más rápidamente (entre 10 y 1000 veces). Esto se debe a que los condensadores guardan la energía en el campo eléctrico creado entre las cargas. La respuesta del campo es mucho más rápida que la de una reacción química, sistema utilizado en las baterías.  Sin embargo, en igualdad de volumen, la capacidad de almacenamiento de un condensador no alcanza al de una batería, que actualmente es de 10 a 100 veces mayor.

Existen condensadores capaces de soportar voltajes muy altos sin dañarse, pero un voltaje en exceso puede provocar una chispa que perfore el aislante, destruyendo todo el sistema (voltaje de ruptura).

 

Supercondensadores

Los condensadores modernos han evolucionado considerablemente a partir de la botella original de Leyden.  Los supercondensadores de nueva generación, también denominados supercapacitores o ultracondensadores pueden almacenar, en un pequeño volumen, una carga miles de veces mayor que la de sus predecesores inmediatos. En términos energéticos representa unas 10,000 veces más energía eléctrica que la de los condensadores convencionales, y miles de millones de veces más de la que se podía almacenar en la botella de Leyden aplicando el mismo voltaje.

La capacidad de almacenar carga de un condensador se mide por la relación entre la carga almacenada (Q) y la diferencia de potencial que esa carga  crea entre sus armaduras(V).  Se representa mediante una ecuación muy simple:  C = Q/V, y se mide en Farads. Una botella de Leyden tenía una capacidad de 1 nanofarad (10^-9 ó 0.000000001 farad). La de los condensadores posteriores convencionales, de tamaño mucho menor, no pasaba de un valor mil veces mayor (1 microfarad). Los supercondensadores actuales alcanzan capacidades de 3000 farad.

Un condensador convencional utiliza un aislante o dieléctrico entre las armaduras metálicas para incrementar la capacidad. En la botella de Leyden el aislante era el vidrio. En diseños posteriores se emplearon óxidos y otras sustancias, y también disoluciones o lodo electrolítico. De no poseer el dieléctrico intermedio, el volumen del condensador aumenta considerablemente.  Para obtener una capacidad de 1 microfarad sin emplear dieléctricos y electrolitos se necesitaría una esfera metálica con un radio de unos 9000 km,  superior al radio de la Tierra (≈ 6400 km).

Los supercondensadores no emplean aislantes convencionales como el vidrio entre las armaduras. Utilizan polvo de carbón activado bañado por un electrolito, en regiones divididas por un separador (figura 2).  El carbón activado es una sustancia muy porosa, similar a una esponja microscópica.  Gracias a esta estructura, la superficie por unidad de masa es mucho mayor que en una superficie lisa.  Equivale a un condensador convencional con un área de sus armaduras considerablemente mayor, lo que permite incrementar la capacidad de almacenar cargas en un volumen pequeño.

 Son fáciles de fabricar y se cargan por completo en apenas unos minutos.  Pueden hacerlo más de un millón de veces, superando las baterías convencionales de plomo y ácido que no suelen llegar a mil ciclos de recarga. Su principal desventaja es que sólo pueden trabajar a un voltaje comparable al de una pila de linterna, no más de 2 ó 3 volt. Para voltajes mayores hay que usar arreglos en serie.  La figura 3 muestra un arreglo de supercondensadores de potencia con una capacidad de 100 farad a 15 volt.  El grosor de los contactos de cobre indica que es capaz de entregar una gran corriente a ese voltaje.

 Los supercondensadores se emplean como capacitores de arranque en motores de gran potencia como rastras y locomotoras.  También se usan en los ‘flash’ de las cámaras fotográficas, en teléfonos celulares, linternas y equipos media player portátiles.  En los prototipos de vehículos eléctricos de baterías se utilizan para aportar un empuje extra durante la aceleración o para subir una cuesta.

 

Nuevos proyectos

En los supercondensadores contemporáneos los poros son irregulares en tamaño y forma, lo cual reduce la eficiencia, pues no siempre pueden acomodar satisfactoriamente el componente electrolítico.  Modelos experimentales recientes desarrollados en el Instituto Tecnológico de Massachussets emplean nanotubos de carbono alineados verticalmente para multiplicar la superficie activa. Los nanotubos poseen una forma regular y una anchura de solo varios diámetros atómicos. Proporcionan un área efectiva mucho mayor y un incremento notable en la capacidad de almacenar cargas.  Su diámetro es la tercera parte de la diezmilésima de un cabello, y su longitud 100,000 veces mayor que su espesor.

Usando una tecnología diferente, el proyecto europeo HESCAP (siglas en inglés de Sistema de Almacenamiento de Energía basado en Supercondensadores de Alta Energía y Densidad de Potencia) busca mantener la larga vida útil de los supercondensadores actuales y multiplicar casi por diez su capacidad de almacenamiento para crear sistemas más eficaces de reservas de energía.  La nueva tecnología se basa en descubrimientos recientes sobre las propiedades de nanopartículas de óxidos.  Estas partículas muestran un comportamiento promisorio cuando se conforman como una membrana nanoporosa.

El proyecto se concedió a un consorcio de firmas de España, Francia, Estonia, Grecia y Ucrania.  Comenzó a desarrollarse en abril de 2010 y tendrá una duración de 3 años y medio.