De las propiedades en la escala nanométrica a las funciones a gran escala

Cubrir la demanda energética global de forma sostenible es uno de los desafíos más acuciantes del siglo XXI. La CSP está llamada a cubrir hasta el 7 % de las necesidades energéticas globales en 2030 y hasta una cuarta parte en 2050. Sin embargo, los colectores solares con receptor parabólico para sistemas de CSP funcionan a unos 400 grados Celsius, mientras que los diseños nuevos con mayor eficiencia deberían funcionar de veinte a veinticinco años a cerca de 600 grados Celsius.

El proyecto NECSO (Nanoscale enhanced characterisation of solar selective coatings), financiado por la Unión Europea, desarrolla las herramientas necesarias para garantizar que recubrimientos absorbentes selectivos permitan superar esta limitación. Los recubrimientos selectivos solares constan de cuatro capas de materiales (antirreflectante, absorbente, reflector infrarrojo y antidifusión) que se aplican con maquinaria de gran tamaño sobre varios metros cuadrados de sustrato. Sin embargo, el rendimiento de estas láminas de gran superficie depende de forma crítica de propiedades en la escala nanométrica como la rugosidad, la dureza, la estructura cristalina, la composición y el espectro vibracional.

Los investigadores trabajan en el desarrollo de herramientas para evaluar las propiedades en la escala nanométrica y relacionarlas con el rendimiento óptico y la vida útil esperada. El trabajo se complementa con el desarrollo de los protocolos de caracterización y degradación. Estos no están destinados solamente a predecir la vida útil, sino también a facilitar pruebas para ampliar las condiciones ambientales en general y de temperatura para obtener una mayor eficiencia sin degradación.

Durante la primera fase del proyecto, se desarrollaron y depositaron los recubrimientos absorbentes solares en capas sobre muestras pequeñas planas y cilíndricas mediante un sistema de pulverización y depósito físico en fase vapor (PVD). El sistema PVD permite recubrir tubos de cuatro metros, que es el objetivo final para la demostración definitiva de la tecnología. A la vez, los científicos desarrollaron y construyeron un sistema de envejecimiento térmico con el fin de llevar a cabo pruebas de envejecimiento sobre muestras cilíndricas con temperaturas y composiciones de gases muy bien controladas. Esto último servirá para evaluar los efectos de la exposición al agua y el oxígeno.

Actualmente los recubrimientos se están sometiendo a campañas de pruebas rigurosas. Se han calculado los valores de selectividad solar y se han realizado pruebas de envejecimiento térmico a distintas temperaturas con el fin de relacionar la degradación térmica y el rendimiento óptico. El equipo también ha aplicado algunas técnicas espectroscópicas con el fin de identificar bandas espectrales asociadas a la degradación que se puedan utilizar como indicadores de la misma. Finalmente, también se han sometido las muestras a pruebas tribológicas y mecánicas con el fin de evaluar propiedades como la adhesión, el desgaste y la resistencia al rayado.

Se espera que la tecnología de NECSO sirva como apoyo al desarrollo de recubrimientos absorbentes solares mejorados con el fin de aumentar la eficiencia y mejorar la durabilidad de los diseños de nueva generación. Su adopción generalizada podría tener un efecto importante sobre las emisiones globales y el cambio climático y, a la vez, crear empleos y mejorar la economía de la Unión Europea.