Cómo conseguir que esa anticuada bombilla brille sin gastar tanta energía

Thomas Edison estaría encantado. Los investigadores han encontrado una manera de mejorar dramáticamente la eficiencia de su invento estrella, la bombilla incandescente. El enfoque utiliza espejos de nanoingeniería para reciclar gran parte del calor producido por el filamento y convertirlo en luz visible adicional. Las incandescentes de la nueva era están todavía lejos de ser un producto comercial, pero su eficiencia es ya casi tan buena como la de las bombillas LED comerciales, manteniendo al mismo tiempo un cálido brillo a la antigua.

“Este es un trabajo hermoso”, dice Shawn-Yu Lin, un ingeniero eléctrico y experto en óptica del Instituto Politécnico Rensselaer en Troy, Nueva York. Él y otros señalan que hay mucho espacio para seguir mejorando los espejos, lo que podría en última instancia empujar la eficiencia de las bombillas mucho más allá de lo que es posible con las tecnologías de iluminación de hoy en día. Y debido a que la iluminación consume el 11% de toda la electricidad en los Estados Unidos, cualquier mejora de este tipo podría reducir drásticamente el uso de energía y, por extensión, las emisiones de dióxido de carbono que contribuyen al cambio climático.

Las luces incandescentes han cambiado poco desde que Edison las perfeccionó por primera vez. Las bombillas funcionan enviando electricidad a través de un filamento de tungsteno rizado. El largo y retorcido camino aumenta la resistencia eléctrica a la que se enfrentan los electrones que viajan, calentando el filamento hasta unos 3000 K. A esa temperatura, el filamento brilla con la cálida luz blanca amarillenta que hemos llegado a esperar de las bombillas.

Aún así, sólo alrededor del 2% de la energía alimentada en un incandescente se emite en longitudes de onda visibles. La mayor parte de su salida es a longitudes de onda infrarrojas (IR) más largas y se desperdicia en forma de calor. Otras tecnologías lo hacen algo mejor. Las bombillas fluorescentes compactas suelen alcanzar una eficiencia de entre el 7% y el 13%; los LEDs manejan entre el 5% y el 15%. Pero hasta ahora, este tipo de bombillas han tenido problemas para producir la luz blanca cálida que la mayoría de los consumidores prefieren.

Los investigadores han tratado de aumentar la eficiencia de algunos emisores de luz esculpiendo la superficie del material emisor con nanoestructuras diseñadas para emitir más energía como luz visible. Pero con las bombillas incandescentes, la temperatura abrasadora del filamento de tungsteno hace que tales nanoestructuras se deshagan rápidamente.

En su lugar, los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge, dirigidos por los físicos Ognjen Ilic, Marin Soljačić, y John Joannopoulos, se propusieron aumentar las eficiencias de la incandescencia con la ayuda de un material de estructura intrincada, llamado cristal fotónico, que se separaría del filamento y sería más estable. Los cristales fotónicos pueden actuar tanto como filtros como espejos, permitiendo que algunas longitudes de onda de luz pasen a través de ellos mientras reflejan otras. Así que el equipo del MIT se propuso crear cristales fotónicos que permitieran el paso de la luz visible mientras reflejaban los fotones IR. La esperanza era que el filamento reabsorbiera los fotones IR, que luego reemitirían parte de esa energía como luz visible.

Para crear sus cristales fotónicos, los investigadores comenzaron con láminas de vidrio de un grosor milimétrico y depositaron 90 capas alternas de óxido de tántalo y dióxido de silicio. Se eligió esta mezcla porque refleja la luz infrarroja pero no los fotones visibles. El equipo se basó en un extenso modelado por ordenador para determinar exactamente el grosor de las capas.

También tuvieron que rediseñar el filamento de tungsteno de la bombilla. En lugar del alambre rizado, doblaron una delgada cinta de tungsteno de un lado a otro, creando lo que parece una delgada lámina de tungsteno. Los electrones siguen un largo y tortuoso camino, asegurándose de que se enfrentan a una alta resistencia eléctrica, y así calentar el metal para que brille. Pero la mayor superficie de la lámina de tungsteno ahora hace que el metal absorba más fotones IR reflejados por los cristales fotónicos.