Una solución climática inesperada

Nicholas Witham es el ganador del primer lugar del Premio a la Innovación Estudiantil del Centro Wilkes, otorgado a principios de este mes en la Universidad de Utah. La competencia invitó a los estudiantes a proponer soluciones creativas para enfrentar la crisis climática y realizar presentaciones que detallan su impacto potencial, beneficios y practicidad. También se otorgaron otros tres premios, uno para el segundo lugar y dos para el tercer lugar, durante la Cumbre Climática Wilkes inaugural en la U el 17 y 18 de mayo.

Witham, estudiante de posgrado en la U, actualmente está cursando su doctorado. en ingeniería biomédica mientras dirigía su empresa Gaia Technologies, que fabrica componentes protésicos. Para el Premio a la Innovación Estudiantil del Centro Wilkes, diseñó un innovador generador eléctrico renovable que se basa en las fluctuaciones naturales de la temperatura de la Tierra.

"El tipo de generador que he diseñado funciona con músculos artificiales termomotores", dijo. "Eso significa que se contraen cuando los calientas. Cada día, la Tierra se calienta y se enfría, lo que hará que se muevan, y pueden jalar una turbina, generando energía. Lo mejor de esto es que el enfriamiento también genera energía, por lo que puede producir energía día y noche".

CRÉDITO DE LA FOTO: Todd Anderson

Nicholas Witham, estudiante de doctorado en ingeniería biomédica.

Este potencial de generación de energía las 24 horas del día podría ayudar a cerrar la brecha energética que es común con las fuentes de energía renovable.

Uno de los primeros lugares donde Witham espera colocar sus generadores es en el sur de Utah, donde el cambio de temperatura del día a la noche es ideal para esta tecnología durante 10 meses al año. Aunque las fluctuaciones naturales de la temperatura pueden no hacer funcionar los generadores en algún momento, Witham cree que podrían usarse para complementar las energías renovables existentes, como la energía solar y geotérmica.

"Puede usar bombas de calor geotérmicas altamente eficientes para accionarlas sin necesidad de que haya un cambio de temperatura causado por el medio ambiente. El exceso de calor que están desperdiciando, no haciendo girar una turbina, simplemente enfriándose antes de bombearlo de regreso a la Tierra, nosotros podría usar eso para aumentar diez veces la producción de energía de nuestros generadores", dijo.

De hecho, instalar estos generadores en plantas geotérmicas o granjas solares preexistentes puede ser la opción más ideal para maximizar la eficiencia y el costo de estos sitios.

"Hice los números y creo que esta podría ser una solución que podría costar menos que la energía solar, y se puede escalar verticalmente", explicó Witham. "Entonces, podría usar la infraestructura solar existente, colocar los paneles solares en la parte superior y, en cualquier momento que desee reinvertir en el sitio sin tener que instalar nuevas líneas eléctricas, podría simplemente apilarlos más alto".

El generador no solo es una forma potencialmente poderosa de energía renovable, sino que también incorpora la captura de carbono en su diseño. "Estos son textiles poliméricos. Por lo tanto, están hechos de un plástico llamado polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), que es un tipo de plástico que puede ser bioderivado. Eso significa que puede usar cáscaras de maíz para hacer este plástico como un forma indirecta de captura de carbono. Cada kilogramo de LLDPE secuestra 3 kilogramos de carbono".

Witham consideró cuidadosamente el impacto ambiental de estos generadores, asegurándose de que contribuyan a los esfuerzos de secuestro de carbono en lugar de crear más desechos. "En el desmantelamiento de paneles solares, por ejemplo, se genera una gran cantidad de desechos electrónicos. Este sistema está diseñado para ser reciclado y desmantelado en una práctica ambientalmente segura", dijo.

Witham planea albergar todo el generador dentro de un contenedor de envío, y estima que se podría esperar que uno de estos generadores dure más de 25 años con un mantenimiento mínimo. Debido a su naturaleza autónoma, el impacto y efecto de estas unidades en el entorno circundante es mínimo.

"Básicamente es una gran caja negra que planeamos poner en medio del desierto. Me comuniqué con la oficina local de la EPA para ver si me faltaba algo, y no tenían preocupaciones reales. Porque lo estamos poniendo en una caja estaría contenido cualquier microplástico que pudiera generarse por el corte o rotura catastrófica de los textiles”, afirmó.

CRÉDITO DE LA FOTO: Nicholas Witham

Músculo artificial textil en montaje de ensayo termomecánico.

La capacidad de incorporación de estos dispositivos en áreas urbanas, según Witham, puede estar limitada a edificios de apartamentos o rascacielos. "No creo que nadie realmente quiera usar una parte de su patio del tamaño de un contenedor de envío para generar energía", bromeó. El peso de estos contenedores también limita su capacidad para colocarse en la parte superior de los edificios, ya que cada unidad pesa aproximadamente 18 toneladas métricas. Sin embargo, existe la posibilidad de que se incorporen debajo de los edificios. "Absolutamente puede ponerlo bajo tierra si tiene un sistema HVAC de bomba de calor para regularlo, pero eso sería un poco menos eficiente". Aunque los generadores no funcionarían tan bien como en el entorno desértico remoto que ha planeado Witham, todavía existe la posibilidad de incorporación urbana.

Con una bolsa de $ 20,000 del Premio a la innovación estudiantil del Wilkes Center, Witham está un paso más cerca de poner en marcha su diseño a gran escala. Su laboratorio ya tiene la capacidad de producir en masa la tecnología de músculo artificial necesaria, por lo que pronto seguirá un prototipo.

"La suposición es que podemos hacer un generador de nueve megavatios-hora a escala para probarlo en el campo. A partir de ahí, podríamos hacer un campo generador tal como se vería en un campo solar. Y luego, con una duplicación de 2,4 años período, que es típico de las energías renovables en esta área, eso significaría que para 2050 habremos secuestrado y compensado un total de 15 millones de toneladas de CO2". La consideración de Witham de la sostenibilidad, el escalamiento factible y la colaboración con otras energías renovables hacen que su diseño sea práctico y efectivo como solución climática.

CRÉDITO DE LA FOTO: Todd Anderson

Nicholas Witham presenta su investigación galardonada en el Wilkes Center for Climate Science & Policy.

Claramente, los jueces del Premio a la Innovación Estudiantil del Centro Wilkes así lo pensaron. El diseño de Witham es una fusión única e impresionante de energía renovable con tecnologías biomédicas preexistentes, lo que demuestra que la naturaleza de las soluciones climáticas probablemente será interdisciplinaria. Witham bromea diciendo que una noche de insomnio en el trabajo es para agradecer su idea de incorporar su trabajo biomédico a una fuente de energía renovable.

"Estaba teniendo una noche de falta de sueño en el laboratorio, como sucede con los estudiantes de posgrado", dijo Nicholas Witham, "y hice cálculos porque pensé: '¡Oye, la Tierra se calienta!' Conecté todos los puntos porque usamos un tipo de plástico que es mucho más eficiente energéticamente y que normalmente no se usa para estos músculos artificiales. Y esa eficiencia energética realmente permitió que esta idea tuviera mérito".

La aplicación creativa de la ingeniería biomédica de Witham muestra que las soluciones climáticas más poderosas pueden provenir de lugares inesperados y que ninguna rama del conocimiento está demasiado aislada para tener un impacto. Su impresionante diseño se encuentra junto a docenas de otros proyectos de estudiantes creativos y dedicados que se levantaron para enfrentar este desafío de innovación. Con premios como este, el Wilkes Center for Climate Science and Policy está liderando el camino hacia la creación de un poderoso foro para soluciones climáticas interdisciplinarias y colaboración, esencial para abordar un problema multifacético como el cambio climático.

Encuentra la historia original en la Facultad de Ciencias.