Celda solar artesanal

Las celdas solares son paneles que, aprovechando el llamado efecto fotoeléctrico, generan energía eléctrica. Estos paneles están hechos generalmente de Silicio dopado. Sin embargo, debido a que la tecnología del silicio es relativamente cara, algunos investigadores han estado trabajando en la búsqueda de soluciones alternativas.

Una de estas soluciones fue inventada por Michael Grätzel en 1991: se trata de una celda de dióxido de titanio sensibilizada con un tinte natural (por ejemplo, jugo de frambuesa).

La estructura de la celda consiste de dos electrodos (electrodo compuesto y simple) y un tinte que genera electrones al contacto con la luz. El electrodo simple es básicamente un vidrio eléctricamente conductivo. El electrodo compuesto está construido de nanocristales de dióxido de titanio (nc-TiO2) depositado en vidrio conductivo, que consiste en un vidrio con una capa de SnO2.

La luz solar pasa a través del electrodo simple, y el tinte impregnado en el electrodo compuesto absorbe la luz. Cuando una molécula del tinte absorbe la luz, un electrón pasa a tener un estado excitado y puede saltar desde el tinte a la banda de conducción del TiO2. En el electrodo compuesto, el electrón se difunde desde el TiO2 hacia el vidrio conductor. Desde allí, el electrón es llevado mediante un cable conductor hacia el electrodo simple.

Después de haber perdido un electrón la molécula del tinte se encuentra oxidada, es decir, tiene un electrón menos que antes. La molécula del tinte recupera su estado inicial cuando el electrón es re-inyectado a través del electrodo simple, de esta manera el proceso se transforma en un ciclo que genera una corriente eléctrica.

De acuerdo a lo que se publica en http://knol.google.com/k/celdas-solares-caseras# una celda de este tipo se podría construir de la siguiente forma:

Materiales:
o Dióxido de titanio (TiO2) nanocristalino, (Ejemplo: Degussa P25).
o Vidrio conductor (disponible en tiendas de electrónica).
o Jugo de zarzamoras machacadas (frescas o congeladas), frambuesas, semillas de granada o té de hibiscus rojo.
o Tintura de yoduro como electrolito.
o Etanol.

Procedimiento:
El primer paso es depositar el dióxido de titanio (TiO2) en el vidrio conductor, esto se realiza de la siguiente forma:
Primero, pulverizar el TiO2 nanocristalino en un mortero mientras se añade disolvente, que puede ser agua o etanol. Usando una varilla de vidrio distribuir el TiO2 sobre el vidrio conductor; después calentar el vidrio con un mechero o una lámpara de alcohol a una temperatura aproximada de 450 °C por 10 o 15 minutos, dejar enfriar.
El segundo paso es colorear el dióxido de titanio con el tinte natural, colorear el lado blanco de la placa de vidrio cubierta de dióxido de titanio (TiO2) con el jugo en un cucharón de agua. Remojar la película por 5 minutos en un líquido para que se coloree la película hasta alcanzar un color rojo púrpura intenso. Si ambos lados de la película no están uniformemente coloreados, entonces se debe colocar nuevamente en el jugo por 5 minutos más. Lavar la película con etanol y secar suavemente con una tela absorbente.

Recubrir el contraelectrodo: La celda solar necesita una placa positiva y una placa
negativa para su funcionamiento. Al electrodo positivo se le llama contraelectrodo, el cual, se forma con un substrato de vidrio con una capa conductora de SnO2. Para identificar el lado conductor del vidrio puede utilizarse un voltímetro. Cuando se raspa con una uña, este es el del lado rugoso. Marcar el lado no conductivo con una "+". Utilizar un lapiz para aplicar una capa delgada de grafito sobre el lado conductor de la placa.

Agregar el electrolito y ensamblar la célula solar, la solución de yoduro sirve de electrolito en la célula solar para cerrar el circuito y para regenerar la tintura. Colocar la placa coloreada de tal forma que el lado recubierto por la película este en alto, después poner una o dos gotas de la solución de yoduro sobre la parte coloreada de la película. Entonces colocar el contraelectrodo encima de la película coloreada para que el lado conductor del contraelectrodo quede sobre la película. Balancear las placas para que los bordes de cada placa queden expuestos. Estas servirán de punto de contacto para los electrodos negativo y positivo de tal forma que podamos extraer la electricidad y probar el funcionamiento de la célula solar.

Utilizar dos pinzas para mantener juntos los dos electrodos en las esquinas de las placas. La salida es de aproximadamente 0.43 V y 1 mA/cm2 cuando la célula se ilumina en el sol a través de la película de TiO2

Este tipo de celda es el más viable para producir electricidad a partir del sol de forma casera (otra celda casera es a base de óxido de cobre, pero su rendimiento es muy bajo). El rendimiento de esta celda dependerá del tamaño de grano del TiO2, el contenido de flavonoides del jugo y su distribución en la celda, pero una celda hecha cuidadosamente puede alcanzar rendimientos de hasta un 10%.


Vea el siguiente video: http://www.youtube.com/watch?v=17SsOKEN5dE

Bomba de Ariete

Si usted dispone de un cierto caudal de agua con un desnivel de entre 0,5 a 1 m (por ejemplo un estero), usted podría levantar parte de esta agua a una altura de unos 5 m aprovechando sólo la energía propia del agua.

Vea el siguiente video:

http://www.youtube.com/watch?v=gDgsGL3D-l4&feature=related

De Madera a Cerámica

Aquí les voy a mostrar cómo pudimos transformar madera de pino en cerámica

Es la foto siguiente se muestra la madera de pino cuando es observada mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM). Se ve que tiene dos tipos de poros: unos más grandes y otros más pequeños. Los más grandes tienen una dimensión del orden de la cuarta parte de una décima de milímetro.



Esta madera primeramente la pirolizamos, es decir la transformamos en carbón. Su apariencia fue la siguiente:



Luego, estas muestras las infiltramos con silicio líquido, y esperamos a que se transformara en carburo de silicio (SiC). Obtuvimos lo siguiente:



Cuando intentamos cortar estas muestras, su dureza fue tan alta, que fue imposible hacerlo con una sierra para cortar aceros: tuvimos que utilizar una "sierra diamantada".

Transforme una plancha metálica en un recipiente

Usted podría transformar, de una manera relativamente fácil, una plancha metálica en un recipiente.

Vea el siguiente video:
http://www.youtube.com/watch?v=AhktScN9ysA

Pila de hidrógeno -Oxígeno

Usted podría construir facilmente una pila (recargable) que trabaje con hidrógeno y oxígeno. Vea el siguiente video: http://www.youtube.com/watch?v=BDDlPQ__pxM

Auto a Hidrógeno

Si desea conocer cómo funciona un auto a hidrógeno, vea el siguiente video: http://www.youtube.com/watch?v=vQzh25xkgcc

CERA - Permite mantener la temperatura de una vivienda

Cápsulas pequeñas (microcápsulas) de cera se pueden agregar como aditivo a los materiales de construcción, por ejemplo yesos, yesos proyectables, morteros, placas de yeso, cartón-yeso, etc. y actuan como un acumulador térmico.

Si la temperatura de una habitación se eleva por encima de la temperatura de cambio de fase, que se especifica durante su fabricación, la cera se funde dentro de las microcápsulas y absorbe el exceso de calor. Si la temperatura baja, la cera se solidifica y las cápsulas liberan su calor a la habitación. Durante los cambios de fase la temperatura de la habitación se mantiene constante, haciendo innecesario el empleo de sistemas de aire acondicionado o calefacción.

Bomba de Agua accionada por aire

Aquí le mostramos una bomba para elevar agua que funciona con aire comprimido. El aire comprimido se podría obtener, por ejemplo, mediante un pequeño compresor eólico o solar.

Usted podría producir hidrógeno

(Fuente: http://www.inteligenciaartificial.cl/ciencia/quimica/produccion_hidrogeno.htm)

Para descomponer un mol de agua (18 Gramos) se necesitan 96.000 culombios lo cual es equivalente a 1 amperio durante 96.000 segundos (aproximadamente 24 horas) o 1500 amperios durante un minuto. Estos 18 gramos de agua se descomponen en 22,4 litros de hidrógeno (H2) y 11,2 litros de oxígeno (O2). Realizando los cálculos correspondientes observamos que 1 amperio es capaz de generar aproximadamente por segundo 0,22 cc de hidrógeno o 0,11 cc de oxígeno. Así que si queremos generar 3 cc por segundo necesitaremos emplear 15 amperios aproximadamente.
Una celda sencilla que podemos emplear para descomponer el agua es la que se representa a continuación en el dibujo.

Esta celda se construye con dos codos de PVC ensamblados entre si. Como ramas verticales se emplean dos tubos de metacrilato o también de cristal, pueden emplearse otros plásticos pero resulta conveniente poder ver los niveles del líquido. Una de las ramas, la del gas a aprovechar se cierra con un tapón del cual sale el gas por un tubo y una válvula de cierre. Pueden emplearse esas válvulas baratas usadas en el riego gota a gota. En el interior de cada una de las rama A y B hay dos electrodos en forma de tubo que se conectan al exterior mediante parte del mismo electrodo sellando el orificio con epoxi. Tanto el material del electrodo como la conexión a exterior deben estar hechos de un material que no sea atacado en el proceso electrolítico. Es conveniente que diámetro del electrodo sea como mucho un 75 % del diámetro interior del tubo para que se pueda hacer la electrolisis por ambas caras y no se acumulen burbujas. Doblando algunas partes de los electrodos se puede conseguir que quede centrado tocando con el tubo de plástico únicamente en algunos puntos.
Si desarmamos una pila gastada de 1,5V podemos utilizar el carbón central para usarlo como electrodo. Este cilindro es carbón de retorta prensado y es estupendo para emplearlo como ánodo en electrólisis ya que es buen conductor y no es atacado por las reacciones anódicas. Solo el grafito, el platino y otros metales nobles comparten estas propiedades. Este carbón es conductor de la electricidad y es prácticamente infusible pero, sin embargo, no tiene las propiedades lubricantes que tiene el grafito.
Al hacerse la electrolisis el hidrógeno se acumula en la parte superior de la rama A, que al aumentar de presión hace descender el líquido. Si no se consumiese hidrógeno el líquido descendería tanto que terminaría por perder el contacto con el electrodo y cesaría su generación. Al consumir el gas el líquido de nuevo entra en contacto con el electrodo reiniciándose la electrolisis.
Como diseño general para un aparato que genere entre 2 y 5 cc por segundo, el diámetro de los tubos debería estar alrededor de los 30 mm y la altura del aparato de unos 25 cm para la rama del hidrogeno y de 40 para el oxigeno. Téngase en cuenta que la rama del oxígeno debe ser mas alta para poder acoger el liquido desplazado en la rama A.
Como se sabe para hacer conductora el agua es necesario añadirle alguna sustancia iónica, las mas comunes son: sal (NaCl), ácido sulfúrico e hidróxido de sodio (sosa cáustica). Una concentración suficientemente conductora es de unos 20 gramos por litro.
Si se emplea solución de ácido sulfúrico los electrodos tienen que ser de plomo. Si se emplea sosa cáustica los electrodos pueden ser de acero inoxidable. Para el caso expuesto anteriormente los electrodos deberían tener unas dimensiones aproximadas de 20 mm de diámetro y 100 mm de longitud.

Motor en base a Plasma Electrolítico

Ya le mostramos un soplete que trabaja con agua.
Ahora le estamos mostrando un motor que trabaja utilizando el calor producido por el mismo principio del mencionado soplete.

Vea el video: http://jlnlabs.online.fr/cfr/html/cfrstir.htm

Molde de Arena para Fundición

Para fabricar una pieza mediante fundición es necesario construir, primero, un molde que sea una réplica (en negativo) de la pieza que se desea obtener.

Como el molde debe resistir la temperatura del metal fundido, un material bastante económico de utilizar es arena.

La dificultad radica en que la arena si no tiene un aglomerante, el molde se "desgrana".

Una solución bastante sencilla es humedecer primero la arena con silicato de sodio (vidrio soluble) y, enseguida, construir el molde (mode en verde). Para que el molde endurezca, a éste se le hace circular dióxido de carbono. Con ello se genera una reacción entre el silicato y el CO2 que genera SiO2 que es el que "pega" los granos.

Si no dispone de CO2, éste lo puede producir muy facilmente mezclando vinagre con bicarbonato sódico, tal como se muestra en el siguiente video: http://www.youtube.com/watch?v=NdFaq_QRL5o

Construya fácilmente un Generador de Electricidad

Si hace girar un par de imanes dentro de una bobina puede generar electricidad, tal como se muestra en www.ciencia facil.com

Produzca Electricidad con un par de Papas. También se puede utilizar un limón

Una papa puede servir para fabricar una celda electroquímica que permita, por ejemplo, hacer funcionar un reloj: Basta insertarle un trozo de zinc (por ejemplo un clavo galvanizado) y un alambre de cobre.

Realice el experimento:

Materiales:
- Dos papas (o un limón)
- Dos trozos de alambre de cobre
- Dos clavos galvanizados
- Tres pinzas caimán (los clips conectados uno al otro mediante un cable)
- Un reloj digital de bajo voltaje que funciona con una pila de botón de uno o dos voltios

Instrucciones:
1. Remueve la pila de botón del compartimiento en el reloj. 2. Marca que lado es el polo positivo (+) y el polo negativo <-> en el compartimiento. 3. Marca las papas como la Papa 1 y Papa 2. 4. Inserta un clavo en cada una de las papas. 5. Inserta una trozo de alambre de cobre en cada una de las papas lo más alejadas posible de los clavos 6. Usa una de las pinzas caimán para conectar el alambre de la Papa 1 al polo positivo (+) en el compartimiento de la pila del reloj. 7. Usa otra de las pinzas para conectar el clavo de la Papa 2 al polo negativo (-) en el compartimiento. 8. Usa el tercer set de pinzas caimán para conectar el clavo de Papa 1 al alambre de cobre de Papa 2 y ahora ajusta el tiempo del reloj.

Vea el videos:
Para papa: http://www.youtube.com/watch?v=Y27j-fa4RGk
Para limón: http://web.aptc.eu/exp/71-lemons

Hielo Seco - ¿Qué es?

Un hielo seco es simplemente un hielo que no moja, es decir que no se transforma en líquido: pasa directamente del estado sólido al gaseoso.
¿Cuál es la sustancia más conocida en la que esto ocurre? Es el dióxido de carbono (CO2), el que se utiliza, por ejemplo, para refrigerar pescados y mariscos.
¿Y en el caso del agua? También ocurre, pero a una presión muy baja.
Este fenómeno se conoce como sublimación.

Los residuos vegetales se pueden transformar en gas

¿Sabía que es posible transformar la madera y los residuos forestales en gas?

Los residuos vegetales son una fuente de materia prima renovable de bajo costo, que se pueden transformar en un combustible gaseoso mediante procesos termoquímicos.

En una primera etapa, hasta los 100 ºC, se elimina el agua libre de la madera; luego, a mayor temperatura (hasta los 250 ºC) se libera el agua contenida en las paredes celulares (agua estructural).

A mayor temperatura el combustible sólido se piroliza, proceso que consiste en una destilación destructiva de la substancia orgánica. La materia prima se disocia produciéndose carbón vegetal, aceites combustibles, alquitranes y gases.

A una mayor temperatura (1000-1200 ºC) el carbón se oxida transformándose en monóxido de carbono. El agua se descompone en hidrógeno y oxígeno, y los hidrocarburos (acido piroloñoso, alquitrán, etc.) se disgregan completamente (craking) y se convierten en gases combustibles.

El único residuo que se obtiene del proceso, es una cantidad ínfima de cenizas. El resto es gas, el que puede tener varias aplicaciones: calefacción, producción de electricidad, etc.

Alúmina (Al2O3) y Diboruro de Titanio (TiB2)

La alúmina es un material cerámico bastante abundante en la naturaleza, que se ha venido utilizando como material de ingeniería desde hace bastante tiempo. La combinación de una conductividad térmica alta, una resistencia a la compresión elevada y una expansión térmica baja resultan en una buena resistencia al impacto térmico. Por eso la Alúmina conviene para crisoles utilizables en hornos, tubos y cubiertas de termopares. Sólo algunos productos químicos atacan la Alúmina. La Alúmina también ofrece un buen aislamiento eléctrico a altas temperaturas, una buena resistencia al desgaste y una dureza elevada lo que hace de este material el ideal para su empleo como bola de válvula, bomba de pistón o herramienta de extracción profunda. Herramientas de diamante son necesarias para mecanizar o rectificar la Alúmina.

El diboruro de titanio, en cambio, es un material cerámico que se está empezando a utilizar recientemente como material de ingeniería. Es duro con una resistencia al desgaste elevada y una alta resistencia mecánica a temperaturas elevadas. Su alta densidad combinada con una resistencia a la compresión y un módulo de elasticidad elevados conducen a su utilización en elementos de blindaje. Resiste a la mayoría de los reactivos y tiene una excelente humectabilidad y estabilidad en metales líquidos como el aluminio o el zinc. Esto combinado con su alta conductividad eléctrica conducen a su uso en celdas Hall-Héroult para la producción del aluminio. También tiene aplicaciones como crisol para metales fundidos.

¿Sabía usted que una mezcla de alúmina y diboruro de titanio se puede producir muy fácilmente? Si usted tiene alguna idea para utilizar esta mezcla de materiales podríamos seguir conversando.

Cobrizado de un material no metálico

Habíamos dicho que es muy fácil cobrizar electrolíticamente un material metálico.
¿Y si el material es no metálico?
También se puede cobrizar.
En este caso se necesita de un paso previo: se debe metalizar primero el material no metálico. Esto se puede hacer, por ejemplo, mediante el proceso conocido como "electroless".

Aquí le presentamos cómo cobrizamos un "peón de ajedrez". Primero lo recubrimos con una fina capa de cobre (electroless) y luego procedimos a aumentar el grosor del depósito electrolíticamente.

Electrodepósito de Cobre

Sabemos que el cobre tiene varias propiedades muy interesantes (esto justifica su alto precio actual, 4 US$/lb): buen conductor eléctrico y térmico, resistente a la oxidación y la corrosión, es bactericida (se está tratando de introducir en los hospitales), etc.

Entonces, ¿cómo podríamos recubrir una pieza metálica (por ejemplo clavos para utilizar en la playa) con cobre?. Bastaría tener una fuente de corriente (por ejemplo una batería de auto), un poco de sulfato de cobre y agua.

Vea el siguiente video: http://www.youtube.com/watch?v=8kMmhg3W8cA

COBRE con superficie Ultra-Dura

Es bien sabido que el cobre es un muy buen conductor eléctrico pero que es bastante "blando".

Para hacerse una idea de lo blando que es, podemos compararlo con un acero. Por ejemplo, un acero que pudiéramos considerar muy duro (también hay aceros relativamente blandos) podría tener, en una cierta escala (Vickers), una dureza de 700; en cambio el cobre podría tener una dureza entre 150 y 200.

Supongamos que tuviéramos la necesidad de que la superficie de una pieza de cobre sea dura, ¿qué podríamos hacer?

Una solución (bastante conocida) podría ser electrodepositarle cromo. El posible inconveniente de esta solución es que el cromo quedaría "debilmente" adherido al cobre.

Si necesitáramos, además, que la capa quedara "fuertemente" unida al cobre podríamos realizar el depósito de cromo (o de una aleación de cromo) por ESD (ElectroSpark Deposition).

En el caso que le mostramos cuando depositamos por ESD titanio sobre cobre, la dureza de la capa alcanzó el valor de 1300 (en la misma escala mencionada).

Para que se forme una idea de cómo opera el proceso ESD, puede ver el video: http://www.youtube.com/watch?v=SDMGbkmQ2WM

CONDUCTIVIDAD ELECTRICA - ¿Aumenta o Disminuye con la Temperatura?

En general, para la mayoría de los materiales, la conductividad eléctrica disminuye con el aumento de la temperatura.
Es lo que sucede en un calefactor eléctrico. Cuando recién lo encendemos, la corriente eléctrica es mayor que cuando éste ya está "caliente".

Sin embargo, existen materiales que mientras más caliente estén, mayor será la corriente que circule por ello (se supone que para un mismo voltaje).

En la figura que les mostramos aparece cómo aumenta la conductividad eléctrica, con el aumento de la temperatura, de un material a base de carburo de silicio (SiC), el que fabricamos a partir de trozos de madera de pino (P) y de haya (B).

LAMINA BIMETALICA - Cómo construirla

Una lámica bimetálica está compuesta de dos capas metálicas, las que tienen distintos coeficientes de dilatación; por ejemplo acero y cobre. Debido ello, cuando esta lámina se calienta, ella se curva tal como se muestra en el siguiente video (Lámina Bimetálica, Youtube.com), donde la lámina bimetálica se utiliza para echar a andar y desconectar un ventilador.



Una manera relativamente fácil de construir una lámina bimetálica sería depositando uno de los materiales sobre el otro mediante descargas eléctricas (ElectroSpark Deposition, EDS).

En la siguiente figura se muestra cómo queda, por ejemplo, una capa de titanio cuando éste se deposita por ESD sobre cobre.

PLASMAS - ¿Para qué nos podrían servir?

Como habíamos dicho, los plasmas se generan por la ionización de un gas. Este gas puede ser aire, vapor de agua, etc.
Cuando el plasma es a base de nitrógeno, éste nos podría servir para nitrurar piezas de acero, es decir para endurecerlas por la formación de nitruros que ocurre.

Aquí le mostramos el caso de una nitruración de engranajes.

¿Sabe lo que es PLASMA?

La mayoría de las personas sabe que la materia puede estar en estado sólido, líquido o gaseoso.
El plasma es un gas que ha sido ionizado: es decir, que posee cargas positivas y negativas.
Un gas puede ionizarse de distintas maneras. Las principales son por calor y por una gran diferencia de potencial.

Aquí le mostramos cómo producir plasma en un microonda casero (Microwave Plasma, Youtube.com).

Alabes del Rodete de una Turbina

¿Podría usted fabricar todos los álabes del rodete de una turbina con una sola herramienta, y que ésta no se desgaste, a pesar de que el material sea extremadamente duro?

Aquí le mostramos que ello es posible.

Calentamiento a Ultra Alta Temperatura

¿Ha visto usted alguna vez calentar una pieza a más de 4000 ºC?

Uno de los efectos del calentamiento de los cuerpos es que éstos cambian de color. Por ejemplo, un trozo de acero cuando está "bien caliente" es de color rojo y el rojo se va aclarando a medida que la temperatura aumenta.

En la siguiente figura se muestra una escala de colores y su relación aproximada con la temperatura en grados Kelvin (NOTA: Para convertir la temperatura en grados Kelvin a grados Celcius, simplemente réstele 273)



De acuerdo a lo anterior, ¿a qué temperatura cree usted que habrá estado la siguiente pieza que pusimos en un horno?

Soplete de agua

Se habría imaginado que se puede construir un soplete que funcione con agua.

Pues bien, aquí le mostramos uno que fabricamos muy fácilmente.



Es posible que más de alguien pueda pensar que lo anterior es un "carril".

Simplemente se trata de que si uno realiza la electrólisis del agua con un voltaje suficientemente elevado, se produce la ionización del hidrógeno que se genera transformándolo de gas a plasma. Eso es lo que se muestra: no es la típica llama que se ve en una combustión.

Congelamiento Ultra-Rápido de Fruta

Los daños que se producen en la fruta cuando se congela se deben, en gran medida, a que el congelamiento se realiza a una velocidad relativamente baja y de "afuera hacia adentro".

Una manera de que el congelamiento sea ultra-rápido, y en todo su volumen a la vez, es aprovechar el hecho de que si al agua se le eleva la presión hasta unas 2000 veces la presión atmosférica, ésta se mantiene líquida hasta unos -20 ºC.

Aquí le mostramos un par de trozos de durazno (nectarín) que hemos congelado de esta forma.

Motor a Vapor