DIRECTO DIRECTOR GENERAL (Interino)RIO Dr. Gonzálo Páez Padilla [email protected] DIRECTOR DE INVESTIGACIÓN Dr. Gabriel Ramos Ortiz [email protected] DIRECTOR DE FORMACIÓN ACADÉMICA Dr. Luis Armando Díaz Torres [email protected] DIRECTOR ADMINISTRATIVO Lic. Silvia Elizabeth Mendoza Camarena [email protected]
Loma del Bosque 115 Col. Lomas del Campestre C.P. 37150 León, Guanajuato, México Tel. (52) 477. 441. 42. 00 www.cio.mxPERSONAL · NOTICIOEditor AdministrativoEleonor LeónEditores CientíficosVicente Aboites, Mauricio Flores, Alfredo CamposDiseño EditorialLucero AlvaradoColaboracionesLaura Rosales, Zacarías Malacara, Manuel I. Peña, Efraín Mejía,Bernardo Mendoza, Gerardo FloresImágenesArchivo fotográfico del CIO, Image bank
EDITO- Congruente con la Misión del CIO, que dice: “El Centro de Investigaciones en Óp- tica, A.C. es un centro público cuyo propósito es desarrollar investigación básica y aplicada en el campo de la óptica y fotónica, que contribuya a los esfuerzos de la comunidad científica para impulsar las fronteras del conocimiento y su aplica- ción en el sector productivo y social del país, además de la formación de recursos humanos de alto nivel, el desarrollo y la transferencia de tecnología, y la contribu- ción de una cultura científica y tecnológica en la sociedad mexicana”, este número de nuestro órgano de difusión refleja algunas relevantes actividades e intereses del personal científico-tecnológico CIO. El presente número de NotiCIO proyecta el amplio espectro actual de la óptica cu- briendo desde el desarrollo de los sistemas ópticos clásicos hasta la óptica cuán- tica, sin olvidar temas candentes y de un potencial comercial enorme como la rea- lidad virtual, la inteligencia artificial y las fibras ópticas. Se presenta también una cronología del láser, ese instrumento que fue definido como “solución en busca de problemas” y sin el cual el mundo moderno simplemente no existiría, baste mencionar todas las aplicaciones científicas, industriales, médicas y recreativas que serían imposibles en ausencia de la luz láser. Las soluciones energéticas basadas en la luz solar son para el mundo actual fun- damentales, esto debido a la necesidad urgente de un desarrollo equilibrado con el medio ambiente. Continuar con el uso indiscriminado de combustibles fósiles condena al planeta a una catástrofe que con el uso de la tecnología fotónica se puede evitar a largo plazo. Así mismo, el desarrollo de metamateriales es clave
para resolver innumerables problemas tecnológicos. Estos materiales no se dande modo espontáneo en la naturaleza sino que son productos artificiales con pro-piedades extraordinarias que pueden incluir desde la invisibilidad óptica hasta suuso en el diseño de poderosísimas computadoras cuánticas.Esperamos que disfrute y le resulte interesante esta actual y variada exposiciónde la actividad científica y tecnológica del CIO. Dr. Vicente AboitesRIAL
NOTICIO INDICEEn el CIO realizamos investigación básica, tecnológicay aplicada que incrementa nuestro conocimientoy nos permite resolver problemas tecnológicos yaplicados vinculados con la óptica. En particular enlas áreas de: pruebas no destructivas, holografíay materiales fotosensibles, visión computacional einteligencia artificial, óptica médica, instrumentación,infrarrojo, materiales fotónicos inorgánicos y orgánicos,nanomateriales, láseres y aplicaciones, espectroscopía,fibras ópticas, sensores, opto-electrónica, cristalesfotónicos, comunicaciones y dinámica de sistemascomplejos. Este trabajo se realiza por investigadoresdel CIO o en colaboración con empresas e institucionesacadémicas nacionales y extranjeras. NotiCIO es unapublicación trimestral que tiene como objetivo dar aconocer a una audiencia amplia los logros científicosy tecnológicos del CIO para ayudar a que éstos seancomprendidos y apreciados por su valor para losciudadanos, para nuestro país y para el mundo. ElCIO pertenece al Sistema de Centros Públicos deInvestigación Conacyt del Gobierno Federal. Mayorinformación sobre el CIO puede obtenerse en el sitiowww.cio.mxCIOmx Centro de Investigaciones @CIOmx en Optica A.C.
C O N T E N I D O N o. D I EC I S I E T E 2O18 NC 4 EDITORIAL10 Panorama general de la evolución y el desarrollo de los sistemas ópticos18 El láser / una cronología27 El impacto social de las Fibras Ópticas32 Metamateriales / más allá de un material38 El aprovechamiento de la energía solar, retos y áreas de oportunidad para la tecnología del presente48 Realidad virtual y aumentada54 Panorama general de la visión e inteligencia artificial62 Óptica cuántica en el CIO70 Publicaciones recientes 7
ARTÍCULO panorama generalde la evolución y el desarrollo de los Sistemas Ópticos ZACARÍAS MALACARAEl uso de las lentes ópticas para corrección vi- matemáticas del momento no fueron suficientes,sual se remonta a tiempos más allá de dos mi- se desarrollaron nuevas herramientas que a sulenios. En el tiempo se pierde el nombre de los vez fueron aprovechadas por otras ciencias. Cier-creadores de las ideas originales que llevaron a su tamente, seguido de los dos primeros instrumen-desarrollo inicial. Sin embargo, los sistemas ópti- tos ópticos mencionados, apareció una plétora decos, considerados como tales a los instrumentos aparatos con una gran diversidad de aplicaciones: cámaras fotográficas, teodolitos, binoculares, pro-que operan con una combinación de varias lentes, yectores, herramientas de diagnóstico médico,se puede afirmar que inician entre 1590 y 1610 instrumentos de medición industrial, accesorioscon la aparición de los dos instrumentos paradig- para armamento militar… La importancia de dis-máticos de la óptica: el microscopio y el telesco-pio, seguido de otros instrumentos para el manejo poner de instrumentos ópticos para manipularde imágenes. El combinar un conjunto de lentes imágenes de cada vez mejor calidad llevó a im-para producir un instrumento óptico, enfrenta al portantes matemáticos, físicos e incluso los más importantes polímatas de la historia a trabajar endiseñador/creador con una cantidad de aberra- la óptica: Galileo, Newton, Gauss, Descartes, Hu- ygens, Fraunhofer, Lagrange, Maxwell, Fresnel,ciones ópticas cuya reducción se vuelve un reto Fermat, Spinoza, Conrady, Emil Wolf, como partecasi inalcanzable. Entre 1600 y 1980, grandes de una larga lista de grandes personalidades des-e importantes estudiosos de la óptica aplicaron tacadas en la ciencia, que en algo contribuyeron atoda la potencia de las matemáticas para entenderprimero, y dominar después los factores que afec- la ciencia óptica.tan la calidad de una imagen óptica. Cuando las 10
El problema a resolver se planteó de manera clara: mejorar la calidad de laimagen en sistemas ópticos. Este objetivo tiene una primera fase iniciandoalrededor de 1600 y que se extiende hasta las primeras décadas del sigloXX: el análisis matemático del trazo de rayos. El cálculo preciso del trazo derayos produjo importantes herramientas matemáticas para la optimizaciónde sistemas ópticos, caracterizada por el uso intensivo de algoritmos mate-máticos para la expresión de los trazos y el uso del cálculo numérico masivo.La segunda fase aparece pocos años antes de la invención de la primera com-putadora y permanece a la fecha. Ya la comunidad óptica ansiaba tener herra-mientas de cómputo rápidas para el cálculo del trazo de rayos a través de un 11 NC
sistema óptico antes de la invención de la primera El nacimiento del láser abrió para las ciencias ópti- cas muchos campos novedosos y grandes e impor-computadora. Durante toda la segunda mitad del tantes temas de investigación, relegando los campos tradicionales de la óptica, en particular el diseñosiglo XX, el avance tecnológico de las computado- óptico, las lentes correctivas, la fotografía y el color. Sin embargo, la realidad en este primer cuarto delras corre al paralelo de los avances en la calidad de siglo XXI nos muestra que algunos campos que fue- ron novedosos sesenta años antes, entraron a unalos sistemas ópticos, en particular de las cámaras etapa de ralentización en su desarrollo, tal vez enfotográficas profesionales y los instrumentos ópti- espera de un nuevo impulso. Ese fue el caso de lacos de diagnóstico médico. Es significativo que ya holografía, la coherencia, la espectroscopia atómicala primera computadora electromecánica fue utili- y molecular, algunos materiales ópticos y otros te- mas que o bien se consideran ya cerrados, o bien sezada para el diseño de sistemas ópticos y que antes encuentran en espera de un nuevo descubrimiento que les imprima un impulso renovador.de la aparición de la primera computadora, ya se Mientras tanto, los temas tradicionales nohabía fabricado una máquina electromecánica ex- han permanecido estáticos. El avance de estos te-clusivamente para el cálculo automático de rayos.La tercera fase podemos identificarla tras la apari-ción del láser y otros dispositivos electroópticos,como los detectores, moduladores, y elementosópticos activos. Se desarrolla la metrología ópticade precisión y la óptica adaptativa (o adaptiva). 12
mas en el último medio siglo ha sido verdadera- 85mm de distancia focal) y abertura f/2.8, nota- blemente ligeras con lentes asféricas de plástico ymente espectacular. En el caso del diseño óptico, vidrio. El desempeño de una cámara media es con mucho superior a las lentes más finas disponiblesanalizaremos algunos temas de actualidad, motivo hasta hace pocos años. La inclusión de elemen-de intensa investigación. tos difractivos para la corrección de aberraciones Lentes fotográficas: La tradicional lente cromáticas ya está disponible. En otros casos, lasfotográfica que en la actualidad se ha extendido lentes incluyen sistemas de estabilización mecá-para ser una parte muy importante de cámaras nica. En eventos deportivos observamos lentes dede video, fotocopiadoras, sistemas de captura deimagen, cámaras de teléfonos móviles y cámaras dimensiones impresionantes capaces de capturarespeciales multi-espectrales y de banda extendi-da sufre grandes transformaciones. Si recordamos al balón de fútbol siendo pateado de chilena, mos-que en 1950 apareció la cámara Leica IIIf con lenteTessar, a una relación focal extraordinaria de f/1.5 trando su deformación congelada, en los cuales esy distancia focal fija de 50mm, su sistema óptico seconsideró uno de los más finos y complejos hasta posible leer la marca del balón.finales de siglo. Ya en la actualidad, el diseño asis- Lentes cinematográficas: Las técnicas de cine en tercera dimensión registran imágenes este-tido por computadora permite tener en el merca- reoscópicas. Las nuevas técnicas cinematográficas exigen ahora el uso siempre de lentes zoom; perodo cámaras de precio medio con lente zoom (24 a ¿cómo debe manejarse una lente zoom estereoscó- 13 NC
ARTÍCULOpica, sin afectar el efecto tridimensional, y conside- Pocos recordamos que todavía hace unos quince años los fabricantes de cámaras fotográficas reco-rar la convergencia visual? Al cambiar la distancia mendaban la toma de fotografías a una distancia mínima de tres metros. La selfie aparece gracias alfocal de dos lentes simultáneamente se presenta pequeño formato de los detectores y gracias a queel problema de la convergencia y el problema demantener una amplificación uniforme conforme el sistema óptico de entre dos y cinco elementosvaría la distancia focal de ambas lentes. El ojo nor- se encuentra alojado en una distancia de menos demal no auxiliado, no enfrenta esta situación. Este diez milímetros. La calidad de una fotografía obte-problema ha sido trabajado de manera constante nida con un teléfono móvil compite muy favorable-por fabricantes de lentes cinematográficas. mente tanto en precio como en desempeño con las Lentes de cámara para telefonía móvil:Las lentes de cámara diseñadas para los teléfo- cámaras disponibles hace sólo un lustro.nos móviles han traído una nueva generación de Instrumentos científicos: Esta generaciónfotógrafos aficionados. Se ha acuñado el término ha visto nacer grandes instrumentos científicosselfie ya que ahora es posible la auto-fotografía. que tienen asociados sistemas ópticos complejos. 14
Por enumerar algunos: las cámaras de burbujas compacto para computadora (precio de mercadoy de chispas en física nuclear; la instrumentación al detalle de $15 dólares) contiene una lente asfé-asociada a los telescopios astronómicos; los de- rica de calidad interferométrica con precisión me-tectores de ondas gravitacionales Ligo y Virgo; los jor a un cuarto de la longitud de onda. Para ofrecersistema de fusión láser; los sistemas para microli-tografía y todo tipo de microscopios avanzados. el lector a ese precio, la lente debe tener un costo Lentes asféricas: Si bien los sistemas asféri- inferior a los cinco centavos de dólar. Las lentes as-cos fueron propuestos por el mismo Newton, salvo féricas son de uso común en casi todas las lentes de cámaras fotográficas.en instrumentos especializados como los telesco- Superficies de forma libre: La primera depios astronómicos profesionales, poco se utiliza- las superficies de forma libre aparecen en losron. Los métodos de fabricación y diseño por con- años 60 del siglo XX. La cámara Polaroid SX70trol numérico hacen factible el uso de elementos incluyó un espejo sin simetría de rotación y lasasféricos en sistemas de costo moderado. Como lentes de Álvarez son las más antiguas con estamuestra, mencionamos que un lector de disco característica. Después de un tiempo de madurez, 15 NC
estas superficies se han generalizado en el mer- ojos de realidad extendida. Para determinar lacado del consumidor. Las lentes oftálmicas pro- posición de un objeto, el cerebro echa mano nogresivas son el caso más común. Visores de realidad virtual o realidad au- sólo de la información que proporciona la visiónmentada: Este viejo tema ha llegado ahora con estereoscópica, sino que también determina lagran actualidad. Los retos para estos sistemas convergencia de los ojos, la acomodación y lasplantean un sinnúmero de problemas no resuel- sensaciones de inercia y posición. Para una mejortos. El cerebro humano con su gran potencia parael procesamiento casi instantáneo de imágenes, percepción de una realidad virtual es necesariono ha sido fácil de engañar con los nuevos ante- incluir estos parámetros en una simulación de la visión. En la actualidad se realiza un trabajo in- tensivo en estos temas. 16
Concluimos esta breve revisión de algunos campos de actualidad en diseño óptico viendo el amplio futuro que depara esta importante disciplina. Sin temor a equivocarnos exclamamos: ¡Larga vida al diseño de sistemas ópticos!Los sistemas no formadores de imagen: Estos se uti- Para conocer más:lizan principalmente para la conducción eficientede la luz. Dos sistemas casi emblemáticos los ana- Kingslake, R., “Lens design by Desk Calculator”, Optics News, Fall 1976, 6-10 (1976)lizamos en cursos básicos de diseño: el sistema Wills, S., “Freeform Optics: Notes from the Revolution”, Opt and Photonics News, July Aug (2017)de iluminación Köhler y el sistema de iluminación Cassarly, W., Nonimaging Optics: Concentration and illu- mination Chpt 39, Handbook of Optics, Vol II, 3rd Ed. M.Abbe. El diseño de colectores solares toman actuali- Bass, Ed. Mc Graw-Hill New York (2010)dad por su eficiencia y bajo costo, pero una oportu- Gupta, A., R. J. Koshel, Lighting and Applications Chptnidad de innovación aparece ahora con los sistemas 40, Handbook of Optics, Vol II, 3rd Ed. M. Bass, Ed. Mcdiseñados para Li-fi (Light-fidelity) como puntos de Graw-Hill New York (2010)acceso bidireccional óptico a redes de internet. Rolland, J., and O. Cakmacki “Head-Worn Displays: The Future Through New Eyes”, Opt. Photon. News, 21, (April 2009). Hecht, J OSA “Centennial Snapshots: The Decade When Everything Changed Feature “,Opt and Photonics News, July Aug (2017) Hecht, J., “Optical Dreams, Virtual Reality”, Opt and Pho- tonics, June (2016) J. Hecht. “3-D TV and Movies,” Opt. Photon. News 22(2), 20 (February 2011). www.slashgear.com/meta-2-augmented-reality-head- set-dev-kit-release-the-oculus-of-ar-02430020/ www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2016-089 B. Allen et al. “Visual 3D motion acuity predicts discom- fort in 3D stereoscopic environments,” Entertainment Computing (2016), doi: http://dx.doi.org/10.1016/j. entcom.2016.01.001 17 NC
ARTÍCULO el láser una cronología VICENTE ABOITES 18
El 6 de agosto de 1960, se publicó un artículo en la revista Nature (V. 187,p 494) escrito por Theodore Harold Maiman de los Laboratorios de Investi-gación Hughes de Malibu California, reportando la generación de radiaciónláser en un medio activo de Rubí a una longitud de onda de 694.3 nm. Esteartículo es considerado por los historiadores de la ciencia “el acta de naci-miento” del Láser. ¿Cómo llegó a desarrollarse este instrumento? ¿Qué avances cientí-ficos hicieron posible su desarrollo? ¿Qué logros científicos, tecnológicos ycomerciales se han hecho utilizando el láser? El proporcionar una guía quepermita responder a estas preguntas es el propósito de la siguiente cronolo-gía. Se señalan con un asterisco (*) los años en que se hicieron contribucio-nes que fueron reconocidas con el Premio Nobel. 19 NC
· 1901* Cuantización de la Energía. · 1962 Conmutación del Q.· 1917* Proceso de Emisión Estimulada. · 1963 Amarre de Modos.· 1924 Absorción Negativa. · 1963 Láser de Bióxido de Carbono. · 1928 Emisión Estimulada. · 1963* Teoria Cuántica de Coherencia Optica.· 1940 Inversión de Población. · 1963* Laseres Semiconductores· 1950* Bombeo Optico. de Heteroestructuras.· 1951 Temperatura Negativa. · 1964 Laser de Gas Ionizado.· 1951* Diseño del Máser. · 1964 Láser de Neodímio YAG.· 1954 Construcción del Máser. · 1964 Amplificadores de Fibra.· 1956* Máser de estado sólido. · 1964* Radiación Cósmica.· 1958* Diseño del Láser. · 1965 CD.· 1959 Se crea la palabra “Láser”. · 1965 Láser de pico-segundos.· 1960* Construcción del Láser. · 1966 Láser de Pigmento.· 1960 Láser de cuatro niveles. · 1966* Fibras Opticas.· 1960 Láser de Helio-Neón. · 1968 Láser en el Espacio.· 1961 Foto coagulación. · 1969 Láseres Químicos.· 1961 Láser de Neodimio. · 1969* El CCD.· 1961 Optica no-lineal. · 1970 Láseres de Exímeros.· 1962 Láser YAG. · 1970 Láseres Semiconductores· 1962 Laser semiconductor. a temperatura ambiente. 20
· 1970 Láser TEA. · 1996 Láseres semiconductores con nitratos. · 1970 Pinzas Opticas. · 1997 Láser atómico. · 1971 Láseres de Cascada Cuántica. · 1998 Corrección de la vista con láser. · 1974 Optica Ultrarápida. · 2000* Peines Opticos. · 1974 Código de Barras. · 2003 Láser de un Atomo. · 1975 Láser semiconductor comercial. · 2005 Laseres en Chips. · 1976 Láser de Electrones Libres. · 2009 Fusión Láser. · 1977 Comunicación por Fibras Opticas. · 2010 Láser de un átomo. · 1979 Láseres VCSEL. · 2018 Láser multicolor de nanopartículas. · 1982 Litografía Láser. · 1982 Láser de Titanio-Zafiro. Bibliografía · 1985* Enfrimiento de Atomos. · 1987 Cirugía Láser. El sitio de Internet siguiente fue elaborado para festejar · 1987 Amplificadores de Fibras con Erbio. el 50 aniversario del Láser, es una excelente fuente de · 1988 Cirugía Excimer. información http://www.laserfest.org · 1988 Fibras trasatlánticas. · 1988 Fibras de alta potencia. El artículo sobre el láser de la enciclopedia Wikipedia es · 1992 Memorias magneto-ópticas. también una buena fuente · 1994 Láser cuántico de cascada. http://en.wikipedia.org/wiki/Laser · 1995* Condensados de Bose-Einstein. V. Aboites, El Láser, Fondo de Cultura Económica, Colec- ción la Ciencia para Todos, Vol. 105. 22
el impacto social de las Fibras Ópticas EFRAÍN MEJÍALas fibras ópticas (FOs), esos hilos tan delgados un canal de comunicación depende de la frecuen- cia de la onda eléctrica y/o magnética de la señalcomo un cabello humano, que conducen energía transportadora (o portadora). El medio más rá-luminosa y que forman una red mundial, han sidolas protagonistas de los avances en comunicación; pido de transmisión tradicional, las microondas,sin éstas, el internet simplemente no existiría. Con cuenta con una frecuencia portadora de 109 Hzuna edad que no supera los 30 años, el internetforma parte de la vida moderna. La necesidad bá- mientras que la luz que tiene una frecuencia desica de comunicarse de manera más rápida y efi- 1014 Hz; es decir, un canal de luz puede ser 100ciente (comunicación por voz, envío de documen- 000 (105) veces más rápido que un canal de mi-tos, envío de imágenes, etc.) forzó su desarrollo. La croondas. Esta gran capacidad en conductores tancomunicación por luz es muy antigua (señales con delgados, los ha posicionado como el medio idó-humo, con antorchas, con espejos, etc.), pero en su neo para llevar información a través de decenas,forma básica el emisor y el receptor deben estar centenas y hasta miles de kilómetros; interconec-uno frente al otro, cualquier obstáculo interrum- tando así a continentes y países para satisfacer las demandas actuales de comunicación. Pero ¿quépe la comunicación. La solución a esto fueron las tan distante se puede enviar una señal luminosaFOs que conducen la luz rodeando los obstáculos. a través de una fibra óptica? Respuesta: dependeCon el tiempo se ha tejido una red mundial de fi- de qué tan transparente sea ésta. Las FOs tienenbra óptica (ver Figura 1) que comunica por medio transparencia máxima para luz infrarroja de lon-de luz al planeta. Pero ¿por qué luz?; la cantidad gitudes de onda entre 1500 y 1650 nano-metrosmáxima de transmisión de información que tiene (nm); por tanto, los emisores, repetidores y recep- 27 NC
ARTÍCULOtores para comunicación operan principalmente 1500 nm y puede alojar una cantidad similar de canales; aunque menos preferida, esta regiónen esta región, en la que se han establecido cien- también se ha usado ampliamente; sin embargo,tos de canales. Aunque esto parece suficiente, enla actualidad ya no lo es; la comunicación por luz será necesario establecer canales dentro de todaque antes estaba reservada al área militar, gobier- la región de 1000 a 2000 nm. En la actualidad, lano y algunas universidades, se ha popularizado a investigación y la industria desarrollan infraes-través de la red mundial de internet. Actualmente, tructura (emisores, foto-detectores, amplificado-más de la mitad de la población mundial se conec- res ópticos, etc.) para cubrir estas regiones. En elta a internet, esto demanda más canales en otras área de FOs de nuestro Centro, se realiza investi-regiones de transparencia. La siguiente región (un gación en esta dirección; láseres, amplificadorespoco menos transparente) se ubica entre 1300 y y dispositivos basados en fibra óptica que cubren 28
estas regiones son ampliamente investigados. Para medir concentraciones en soluciones, esfuerzos, vibraciones, temperatura, presión, etc. También sedistancias cortas menores a 1 km, se puede ope- desarrollan láseres de fibra de alta potencia pararar en la región visible-infrarrojo cercano (400- aplicaciones industriales y médicas; con éstos es1000 nm) que es menos transparente; en el CIO posible realizar desde cirugías médicas hasta cor-también se investiga y se han propuesto disposi- te y marcado de materiales en la industria metal-tivos para operar en esta región. Cabe mencionar mecánica. Además, aquí se diseñan y fabrican FOsque existen muchas otras aplicaciones de las FOs.En particular en el CIO se ha realizado un extenso novedosas para nuevos láseres y dispositivos.trabajo en los láseres basados en fibra óptica (lá-seres de fibra) que van desde longitudes de ondade 400 nm hasta 2000 nm, sensores de fibra para 29 NC
ARTÍCULOmetamateriales más allá de un material BERNARDO MENDOZA 32
Un metamaterial es aquel que no existe por sí mismo en la naturaleza y queposee propiedades más allá de las atribuidas a los elementos de los cualesestá hecho. El prefijo “Meta”, en la palabra compuesta Metamaterial, significa“más allá” de un material. 33 NC
ARTÍCULOPor ejemplo, si combinamos de manera adecua- En el CIO, el grupo de Propiedades Ópticas de Su-da un aislante y un metal con un metamaterial, la perficies, Interfaces, Nanosistemas y Metamate- riales (PROSINyM) lleva 10 años calculando pro-combinación mostraría propiedades que no son piedades ópticas de metamateriales. En este tiponi las del aislante ni las del metal originales, ni de investigación de frontera se emplean dos pun-las que resultarían por la combinación o mezclade los dos primeros; por el contrario, tendría pro- tos de vista. Uno de ellos utiliza las Ecuaciones depiedades que van mucho más allá de esta simple Maxwell, las cuales describen los fenómenos elec- tromagnéticos como la óptica. Mientras que el otromezcla. Este es un caso que viola la idea antigua emplea la Ecuación de Schrödinger, que describede que el “todo”, es la suma de sus “partes”, ya queen un metamaterial la interacción entre las partes los fenómenos cuánticos como la fotónica.da mucho más que la simple suma, y por ende sus Dentro de la investigación que utiliza las“meta” propiedades. Ecuaciones de Maxwell, se realizan estudios de 34
metamateriales nanoestructurados. Estos consis- dica formando un cristal artificial. Un nanómetro es 10−9 metros. Así que estos “metamateriales na-ten en la combinación de dos tipos de materiales noestructurados” son nanométricos y tienen unnormales que se interpenetran con formas geomé-tricas que se escogen para que, con la interacción gran potencial de aplicaciones en muchos ramoselectromagnética entre ellas, se logre que el me-tamaterial tenga propiedades ópticas modificables de la tecnología.con tan solo cambiar la geometría. Como resulta- Al utilizar la Ecuación de Schrödinger sedo, se superan un sin fin de propiedades ópticas realizan trabajos fundamentales sobre la interac-de los materiales estándares. El hecho de quesean nanoestructurados significa que los tamaños ción de la luz con la materia, y los metamaterialesde los dos materiales que se utilizan son de unos que se investigan son estructuras bidimensionalescuantos nanómetros y se repiten de forma perió- de sistemas tipo grafito. El grafito, está compuesto por átomos de carbono, que se acomodan en ani- llos hexagonales que a su vez forma planos bidi- 35 NC
mensionales, y estos a su vez se apilan. El grafito es un material natural muycomún; por ejemplo, la mina de los lápices está hecha de grafito. Estas ca-pas atómicas bidimensionales están unidas por las fuerzas de Van der Waals(apellido del físico que las descubrió, premio Nobel) que son muy débiles,por lo cual el grafito es fácil de exfoliar, de suerte tal que uno puede llegar alextremo de exfoliar todas las capas del grafito hasta llegar al límite de unasola capa. Esta capa, es un metamaterial que recibe el nombre de Grafeno,y que les dio el premio Nobel a sus descubridores hace unos pocos años. EnPROSINyM calculamos las propiedades ópticas de estas estructuras graféni-cas con la Ecuación de Schrödinger, obteniendo propiedades extraordinarias,como son la generación de segundo armónico, la producción fotovoltaica y lainyección de espín, entre otras propiedades. Las aplicaciones de estos fenó-menos ópticos son también impresionantes. Los integrantes de PROSINyMbuscarán la colaboración con los investigadores recién contratados para elCuarto Limpio y el Laboratorio de Nano-litografía con la idea de fabricar losnanomateriales mencionados o de diseñar otro tipo de metamateriales simi-lares que puedan tener aplicaciones científicas y/o tecnológicas. 36
ARTÍCULOel aprovechamientode la energía solar Retos y áreas de oportunidad para la tecnología del presente MANUEL PEÑA El aprovechamiento de la energía solar no es en si un tema nuevo para el hombre. Podría afirmarse que existe desde que la especie se volvió sedentaria, mediante el dominio de la agricultura. Al tener conocimiento de la posición solar, las estaciones del año (aún de manera empírica) y la época de lluvias, podían prever la mejor forma de aprovechar la energía que el sol les propor- cionaba. En la época moderna, hemos partido de esos conocimientos ancestra- les para diseñar tecnología que utilice la energía solar como fuente para pro- ducir calor y/o electricidad; este es el caso de los sistemas Fototérmicos (tam- bién llamados comúnmente Termosolares) y Fotovoltaicos. Ambos sistemas utilizan la radiación electromagnética proveniente del sol como combustible, pero se diferencian en el fenómeno de conversión de energía. Los sistemas 38
ARTÍCULOfotovoltaicos funcionan bajo el principio fotoeléc- forma, se puede tener un sistema termosolar que,trico, en donde los fotones provenientes del solexcitan un material semiconductor para producir dependiendo su tamaño y características, es capazelectrones/energía eléctrica. Tradicionalmente seutilizan módulos de este material distribuido a lo de producir agua caliente para tomar un baño enlargo de un campo o “granja” fotovoltaica y suelen casa (baja temperatura: 40 - 90 ºC), procesos en laestar dispuestos de acuerdo a la latitud y otras industria que requieren de un fluido más calien-consideraciones geométricas, además de curiosas te (mediana temperatura: 100 - 250 ºC) o el caso(ver Fig. 1. Panda Green Energy 50 MW). Los sistemas termosolares tienen un princi- impresionante que genera vapor sobrecalentadopio de funcionamiento distinto, pues utilizan la ra- para la producción de electricidad (comúnmente llamada Concentrating Solar Power o CSP) (Verdiación solar concentrada sobre un receptor para Fig. 2. Ivanpah Solar 377 MW). Además, un áreaproducir calor y transferirlo a un fluido. De esta emergente busca aprovechar la captación de la energía solar para aplicaciones químicas, también denominada Química Solar. De ella se desprendenFig. 1. Panda Green Energy 50 MW 40
tecnologías como la fotocatálisis para la remedia- Independientemente de la tecnología solar que seción de contaminantes; estos pueden estar disper- utilice, todo sistema requiere de tener informaciónsos en el agua o en el aire, utilizado radiación UV sobre la disponibilidad del recurso solar en el lu- gar que se va a instalar el sistema (Evaluación deproveniente del sol y la producción de combusti- Recurso Solar). Es en este tema que se nos presen-bles alternativos como el hidrógeno a través de ta el primer reto, pues tradicionalmente se insta-energía solar altamente concentrada. lan sensores especializados que permiten medir la radiación solar (irradiancia) incidente sobre el Desarrollar sistemas de aprovechamiento lugar. Estos sensores permiten tener una idea cla- ra y muy precisa sobre la energía que llega a un lu-solar de manera efectiva presenta numerosos retos gar. Sin embargo, la medición como bien se podráy oportunidades desde el punto de vista técnico y imaginar, es puntual, por lo que la medición puedeeconómico. En este espacio, se abordarán algunos o no ser válida para los alrededores del sensor. Esde los más actuales y que por su importancia estánsiendo tocados por la comunidad científica espe-cialista en el tema.Fig. 2. Ivanpah Solar 377 MW 41 NC
ARTÍCULOFig. 3. Imagen del satélite GOES. Proporcionada por LANOT-UNAM Fig. 4. Ivanpah Solar 377 MWpor ello que es necesario desarrollar metodologías co y mecánico, permitan aprovechar la disponibili-que permitan generar mapas de irradiancia solar dad del recurso solar. El Diseño Óptico de no-Ima-para un territorio. Particularmente en el territorio gen permite estudiar el comportamiento óptico demexicano, su extensión dificulta la instalación deestas estaciones de medición debido a su alto cos- un sistema de concentración solar para realizar aplicaciones térmicas y fotovoltaicas de alta efi-to y constante mantenimiento. El CIO desarrolla ciencia (Concentrating Photovoltaics, CPV) parasistemas que utilizan imágenes satelitales (Ver Fig. analizar su viabilidad previo a su construcción. El3. Imagen del satélite GOES. Proporcionada por CIO desarrolla metodologías de análisis a travésLANOT-UNAM) e imágenes tierra-cielo que permi- del uso de software especializado que permite di-ten sensar las variables solarimétricas, además de señar sistemas CSP y CPV para que sean cada vezgenerar predicciones sobre el comportamiento de más robustos, eficientes y costo-efectivos (Ver Fig. 5. Diseño Óptico de una planta termosolar. Sof-la irradiancia solar derivadas del estudio de la for- tware Tonatiuh®). En estos, se puede modelar unmación de cúmulos de nubes en la zona de interés,tema de vital importancia para prever la variabili- sistema óptico y analizar si la concentración de ladad del suministro a la red eléctrica de las plantas energía solar es suficiente para realizar las aplica-fotovoltaicas y termosolares (Ver. Fig. 4. Sistema ciones deseadas y cuál sería el rango de operaciónVISoN de predicción desarrollado por CIO). Una vez abordado lo anterior, es necesario del sistema a lo largo de todo el año, considerandodiseñar sistemas, que desde el punto de vista ópti- la variación de la irradiancia solar y la posición del sol en el cielo. 42
Fig. 5. Diseño Óptico de una planta termosolar. Software Tonatiuh® Fig. 6. Receptor con recubrimiento selectivo para aplicaciones termosolaresManufacturar los componentes que los sistemas luación y caracterización que permitan certificar que los componentes manufacturados resistiránde aprovechamiento solar requieren es en si todo las condiciones de operación para las que fueronun reto. Estos componentes deben operar en si- diseñados y presentan una vida útil significativa.tuaciones extremas de calor e intemperie. Además, Entre estas pruebas se puede identificar: evalua-deben de resistir el paso del tiempo sin perder la ción del rendimiento óptico, mecánico-estructuraleficiencia con la que fueron diseñados. Es por ello y de eficiencia térmica de sistemas CSP y la evalua-que el estudio en el área de materiales reflecti- ción del rendimiento eléctrico y eficiencia de unvos, absorbedores y fluidos térmicos de trabajo, sistema CPV, entre otras. Así, el CIO busca apoyarasí como el sistema eléctrico y de control se tornafundamental para garantizar la operación a largo a la penetración de la tecnología mediante el de-plazo de estos sistemas (Ver Fig. 6. Receptor conrecubrimiento selectivo para aplicaciones termo- sarrollo de metodologías que permitan validar lasolares). Además, se busca que la industria se in- funcionalidad de estos sistemas, y de esta forma, garantizar productos confiables para los usuarios.terese por el tema para generar un mercado nacio- Además, no es suficiente con producir la energía únicamente; la tendencia del mercado eléctriconal que permita que la economía a escala vuelva apunta a una necesidad apremiante por desarro-fácilmente accesibles los componentes y su costo llar sistemas de almacenamiento de energía para reducir la variabilidad en el suministro eléctricosea reducido. debido a la intermitencia de las fuentes renova- A la par de la manufactura de los compo-nentes, se deben establecer metodologías de eva- 43 NC
bles. Si bien lo que ha dominado hasta ahora ha Como conclusión se puede apreciar que los siste-sido el uso de almacenamiento electroquímico mas de aprovechamiento solar térmico y fotovol- taico son en su conjunto una tecnología promete-(baterías), estas no han podido romper la brecha dora, con una capacidad enorme de suministrarde capacidad-costo. Por lo que siguen siendo una energía limpia, renovable y de acceso masivo. Elopción costosa, además contaminante. Debido a panorama es amplio y los retos grandes desde el punto de vista técnico y económico. Por ello, se re-ello, se han propuesto esquemas innovadores de quiere de un esfuerzo multidisciplinario para vol-almacenamiento, como lo son el almacenamiento ver una realidad un futuro sustentable para el paístérmico por sales fundidas y el almacenamiento deun fluido en compresión. Sin duda, es un tema que y para el planeta.ocupará varios años de investigación. 44
realidad virtual y aumentada ALFREDO CAMPOS 48
Los objetos del mundo real que percibimos a través de nuestros sentidosforman eso que llamamos “realidad”. En el otro extremo, lo “virtual” es lo quetiene una existencia aparente, contraria a lo real, como los personajes de unvideojuego. Si se presentara a nuestros sentidos información adicional a laque reciben, nuestra percepción del entorno cambiaría; experimentaríamosuna realidad que no está ahí, lo que abre el camino a posibilidades que ape-nas estamos empezando a explorar. 49 NC
ARTÍCULOSe conoce como realidad virtual (en inglés VirtualReality, VR) a la tecnología que pone al usuariodentro de un entorno tridimensional creado porcomputadora, haciéndole sentir que está inmersoen un mundo real. El usuario se vuelve parte deese medio virtual, puede incluso desplazarse, es-cuchar sonidos, manipular objetos y llevar a caboacciones mientras la computadora actualiza entiempo real las escenas que él visualiza. Para po-der experimental la realidad virtual es necesarioportar un visor o casco especial que se conecta auna computadora o una consola de videojuegos.Existen también visores que usan la pantalla y elpoder de cómputo de un smartphone, siendo unode los más económicos Google Cardboard. Cuando llevar a cabo algo en la vida real esdemasiado peligroso, caro o poco práctico, la rea-lidad virtual puede ser una opción: entrenamien-to de pilotos y otros profesionales en actividadesde alto riesgo o que requieren la manipulación deequipos delicados y sustancias peligrosas; entre-namiento de médicos para realizar cirugías… to-mar riesgos virtuales permite ganar experienciaen el mundo real. La realidad virtual tiene tambiénaplicaciones en el entretenimiento, la educación,el deporte, la arquitectura, el turismo y el arte: po-dríamos explorar otro planeta, visitar un museo,o recorrer una construcción antigua o moderna.A medida que el costo de la tecnología para ge-nerar experiencias de realidad virtual disminuya,aumentarán sus posibles aplicaciones y el númerode usuarios que se beneficien de ellas. A diferencia de la VR, que nos sumerge enun entorno completamente generado por compu-tadora, la realidad aumentada (en inglés Augmen-ted Reality, AR) utiliza nuestro entorno natural yle sobrepone información virtual. En esta realidad 50
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