Investigadores financiados por la Marina estadounidense han desarrollado un novedoso recubrimiento para células solares submarinas que evita las bioincrustaciones al tiempo que preserva la transmisión de luz visible. La bioincrustación, es decir, la adhesión y crecimiento de organismos, puede reducir la eficiencia óptica de las células solares. Estas células se utilizan en vehículos submarinos autónomos y no tripulados para vigilancia naval, investigación oceanográfica y otras aplicaciones.
«La necesidad de este estudio se debe a la falta de sistemas de recubrimiento resistentes a las incrustaciones y que mantengan la transmisión de la luz por sí solos», explican los investigadores. «Los revestimientos existentes requieren la intervención humana periódica, como técnicas de limpieza mecánica y aseo, para mantener su eficacia, lo que supone un proceso tedioso y laborioso. La tecnología de autopulido propuesta puede eliminar la necesidad de limpieza mecánica y ofrecer una solución más eficaz y menos laboriosa».
La novedosa solución utiliza concentraciones ultrabajas de pigmentos nanométricos solubles en agua de mar, como el óxido cuproso (Cu2O) y el óxido de zinc (ZnO), combinados con un biocida orgánico y un aglutinante de pulido rápido. El equipo explicó que cuando estos revestimientos se exponen al agua de mar, las partículas de pigmento se disuelven, creando una capa porosa que permite que el agua de mar se difunda en el revestimiento.
«Esta capa lixiviada permite que los compuestos biocidas disueltos se difundan fuera del recubrimiento y hacia el agua de mar», señalaron. «La matriz aglutinante de la capa lixiviada reacciona con los iones del agua de mar y forma compuestos solubles de forma controlada. Para equilibrar esto y establecer un índice de pulido mayor o menor, los revestimientos autopulimentables utilizan copolímeros que pueden hidrolizarse o no en el agua de mar. A medida que continúa la hidrólisis, los frentes de polímero erosionado y pigmento en disolución exponen capas frescas de polímero de acrilato y pigmentos, lo que produce un efecto de autopulido con un grosor de capa lixiviada más o menos estable».
El equipo de investigación probó distintos sistemas aglutinantes para el revestimiento, utilizando diversas mezclas de partículas. Utilizaron acrilato de sililo (SA) solo o combinado con colofonia (SA-R) en una proporción de peso de 70:30 para los aglutinantes. Las mezclas de partículas incluían óxido cuproso de tamaño nanométrico (NC), óxido de zinc de tamaño nanométrico (NZ), el biocida líquido orgánico SeaNine 211 (SN), óxido cuproso de tamaño micrométrico (MC) y óxido de zinc de tamaño micrométrico (MZ).
Aplicaron los revestimientos a sustratos de policarbonato liso, transparente, de 6 mm de grosor y 200 mm × 100 mm. Los paneles recubiertos se sumergieron en el puerto de Hundested (Dinamarca) durante dos meses y medio y se inspeccionaron y fotografiaron a las dos, seis y diez semanas.
«La acción combinada de NC, NZ y SN en un recubrimiento SA-R proporcionó una resistencia significativa a las incrustaciones a lo largo del periodo de exposición de 12 semanas, atribuida a la tasa sinérgica de los efectos de disolución y a la rápida tasa de pulido del aglutinante SA-R», dijeron los investigadores.
Este recubrimiento campeón tenía una tasa de concentración de volumen de pigmento (PVC) NC del 0,04%, PVC NZ del 0,08% y un porcentaje en peso de base de recubrimiento sin disolventes (SN) del 3%.
«La misma formulación mostró un pulido completo en la semana 12, tras la cual el revestimiento empezó a ensuciarse, lo que implica una elevada tasa de pulido de aproximadamente 1,4 μm/día, superando las tasas convencionales de 5-15 μm/mes (0,15-0,5 μm/día)», señalaron los investigadores. «La Oficina de Investigación Naval (ONR) de Florida realizó más pruebas con la formulación, en las que el recubrimiento mostró una resistencia excepcional a la bioincrustación en agua de mar caliente (de 22 ºC a 30 ºC) con condiciones de incrustación extremas. La generación de energía solar se mantuvo cercana al 100% de eficiencia durante 13 semanas».
os investigadores señalaron que las versiones nanométricas de Cu2O y ZnO son unas 20 veces más caras que las versiones convencionales de tamaño micrométrico. Sin embargo, señalaron que el bajo volumen requerido en la solución desarrollada mantiene los costes de formulación relativamente bajos.
Los investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca describieron su trabajo en «Self-sustaining antifouling coating for underwater solar cells» (Recubrimiento antiincrustante autosostenible para células solares submarinas), publicado recientemente en Progress in Organic Coatings.
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