Fuente de luz cuántica para la producción ecológica de biogás
Sustancias valiosas a partir de biomasa: los láseres de cascada cuántica ofrecen nuevas posibilidades muy interesantes
Muchos de nuestros residuos son demasiado valiosos para incinerarlos sin más. Si se reciclan de forma cuidadosamente controlada, no sólo se puede generar energía térmica, sino que el gas resultante también puede utilizarse para producir productos químicos valiosos, desde hidrógeno hasta metano o metanol. Sin embargo, el proceso de producción de gas debe supervisarse y regularse estrechamente.
Michael Jaidl (izquierda) y Florian Müller
Technische Universität Wien
Hasta ahora, un subproducto muy común de la gasificación -el vapor de agua- ha sido un quebradero de cabeza particular. Para controlar la gasificación de forma eficaz, es importante conocer el contenido de agua del producto gaseoso con la mayor precisión posible. Sin embargo, los métodos convencionales dificultan la medición del contenido de agua. En una colaboración entre ingeniería de procesos y fotónica en TU Wien (Viena), este problema se ha resuelto ahora utilizando un tipo muy especial de fuente de luz: la radiación de terahercios de un láser de cascada cuántica. La tecnología cuántica más avanzada permite ahora reciclar la biomasa de forma respetuosa con el medio ambiente.
Las mediciones convencionales no bastan
"Muchos componentes químicos del producto gaseoso pueden detectarse con luz infrarroja", explica Florian Müller, que investiga los sistemas de carbono renovable en el marco del programa de doctorado CO2Refinery del Instituto de Ingeniería Química, Medioambiental y Biológica de la Universidad Técnica de Viena. "Distintas moléculas absorben diferentes longitudes de onda de luz infrarroja. Midiendo qué parte de cada longitud de onda es absorbida por una muestra, es posible determinar si la muestra contiene una determinada sustancia o no".
Sin embargo, esto es difícil de hacer con el vapor de agua, un subproducto especialmente importante para el proceso de producción de gas. "Cuando se convierte la biomasa en gases, se obtiene una mezcla de gases complicada que contiene no sólo vapor de agua, sino también muchos hidrocarburos diferentes", explica Florian Müller. Y algunos de ellos absorben la radiación infrarroja exactamente en las mismas frecuencias que el agua. Esto significa que no es posible decir con exactitud qué sustancia es la responsable de la absorción y, por tanto, no se puede determinar con precisión el contenido de agua en el gas producto. Se puede enfriar una muestra de gas y luego medir la cantidad de agua condensada, pero esto lleva tiempo. No es posible reaccionar con rapidez a las fluctuaciones de las concentraciones de agua, lo que dificulta un funcionamiento eficaz.
La TU Wien desarrolla fuentes de radiación de terahercios
Al mismo tiempo, sin embargo, Michael Jaidl investigaba en el Instituto de Fotónica de la Universidad Técnica de Viena sobre rayos láser en el rango de los terahercios, es decir, radiaciones con una longitud de onda ligeramente superior a la de la radiación infrarroja utilizada hoy en día para mediciones espectroscópicas. Michael Jaidl y Florian Müller son viejos amigos que se conocen desde la época escolar, y por eso se les ocurrió la idea de combinar sus áreas de investigación.
Michael Jaidl pudo demostrar que las frecuencias en el rango de los terahercios sólo son absorbidas específicamente por las moléculas de agua y no por las muchas otras sustancias que existen en concentraciones significativas en el gas producto de una planta de gasificación de biomasa. Por tanto, el problema de la detección del vapor de agua puede resolverse utilizando la radiación de terahercios en lugar de la radiación infrarroja habitual.
La radiación de terahercios es difícil de producir. En la Universidad Técnica de Viena se utilizan trucos de la tecnología cuántica para producir láseres de cascada cuántica: semiconductores diminutos con una estructura geométrica a medida a escala nanométrica que garantiza que sólo se emita radiación de una longitud de onda muy específica cuando se aplica una tensión eléctrica. Este láser de cascada cuántica requiere su propia refrigeración, pero los dos investigadores han logrado desarrollar un dispositivo compacto y portátil que puede medir con fiabilidad el contenido de agua en gases de productos calientes utilizando un haz de terahercios.
Primeras pruebas con éxito
"Una de las principales ventajas de nuestro método es que ofrece resultados fiables en una amplia gama de concentraciones de vapor de agua y temperaturas", explica Michael Jaidl. Esto se debe a que el vapor de agua absorbe con especial intensidad la radiación de terahercios que utilizamos, lo que nos permite emplear una configuración más compacta". Otra gran ventaja del diseño compacto es que la temperatura de la célula de medición no fluctúa tanto, lo que reduce el riesgo de errores."
El hecho de que el nuevo método funciona a la perfección se demostró en experimentos de producción de gas utilizando residuos de madera en el campus Getreidemarkt de TU WIen. Ahora los dos investigadores y sus equipos quieren mejorar aún más su tecnología: en primer lugar, para hacerla aún más manejable y fácil de usar, y en segundo lugar, para investigar si otros componentes de los gases de producción pueden detectarse de forma fiable utilizando la tecnología de terahercios.
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Publicación original
Florian Johann Müller, Michael Jaidl, Dominik Theiner, Johann Zeitlhofer, Florian Benedikt, Lena Steiner, Alexander Bartik, Marie Christine Ertl, Aaron Maxwell Andrews, Gottfried Strasser, Stefan Müller, Franz Winter, Karl Unterrainer; "Water vapor quantification in raw product gas by THz quantum cascade laser"; Energy Conversion and Management: X, Volume 26
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