¿Cómo la nanotecnología puede beneficiar a las ciudades inteligentes?

Publicado por Nano Werk. Ver publicación original aquí.

Una ciudad inteligente es un marco de infraestructura que aborda los crecientes desafíos de la urbanización mediante la adopción de tecnologías de información y comunicación integradas y automatizadas para ayudar a optimizar todas las operaciones de la ciudad, ayudar a lograr los objetivos de sostenibilidad y una mejor calidad de vida para sus ciudadanos (lea nuestro manual en ciudades inteligentes ).

Generalmente, el desarrollo de ciudades inteligentes requiere sistemas de transporte más eficientes y menos contaminantes, edificios residenciales más habitables que requieran menos energía para funcionar, establecimiento de servicios públicos de todo tipo mejor gestionados (gas, agua, electricidad, eliminación de residuos, etc.).

 

Trabajar hacia este objetivo implica desarrollar y utilizar tecnologías en varios frentes. Algunos de los desafíos son:

El desarrollo de materiales más ligeros y resilientes cuya fabricación requiere menos energía, para su uso en transporte o edificación;

El desarrollo de coches eléctricos mediante el diseño de nuevas baterías o el desarrollo de tecnologías de hidrógeno;

El diseño de vehículos y sistemas que permitan la conducción automática;

El diseño y fabricación de materiales de construcción más resistentes, capaces de autorrepararse que eliminan la contaminación atmosférica, ayudando a depurar el aire de la ciudad;

El desarrollo de nuevos materiales de construcción capaces de generar energía fotovoltaica o de filtrar la luz en función de la luminosidad;

El desarrollo de sistemas de iluminación y señalización de bajo consumo;

Establecer extensas redes de sensores que monitorean el tráfico, los estacionamientos, la utilización de la disposición de desechos, la contaminación del aire, la presencia de polen, la temperatura, el número de peatones, el contenido de humedad del suelo en los parques públicos, etc. en tiempo real y con precisión milimétrica. ;

El desarrollo de dispositivos en red que sean capaces de tomar decisiones de forma automática y autónoma;

Soporte de tareas de control y observación mediante drones del sistema;

El desarrollo de sistemas de almacenamiento y procesamiento de la gran cantidad de datos recopilados con el fin de mejorar los sistemas de información, la toma de decisiones, la gestión de la red eléctrica y de agua, la participación de la ciudadanía en el gobierno de la ciudad, etc.

Con solo pasar por esta lista, queda claro que el desarrollo de las ciudades inteligentes está vinculado al desarrollo de nuevos materiales y dispositivos, el uso de redes de sensores, el manejo de grandes cantidades de datos (‘ Big Data ‘), el desarrollo de redes de comunicación. entre objetos, toma de decisiones (‘ Inteligencia Artificial ‘), seguridad de datos y descentralización (‘ blockchain ‘), y una variedad de otras tecnologías inteligentes . Esto conduce y se integra con nuevos conceptos como Smart Roads y Smart Factories .

 

Cuando se trata de nanotecnología y el desarrollo de nuevos nanomateriales y nano dispositivos de los que las ciudades inteligentes pueden beneficiarse, hay varias áreas que se destacan de inmediato:

Tecnología de ondas milimétricas para redes 5G para redes virtuales de toda la ciudad

Nanomateriales para su uso en la construcción de edificios inteligentes

Pequeños sensores o incluso polvo inteligente para habilitar IoT en toda la ciudad

Ventanas inteligentes para regular el clima interior de los edificios

Sistemas de iluminación inteligentes y eficientes

Carreteras inteligentes que generan energía

Baterías de alta capacidad de almacenamiento y ultracondensadores con tiempos de carga rápidos para vehículos eléctricos y almacenamiento de baterías de energía renovable

Purificación y filtración de agua

Hardware de teléfono inteligente que permite la conectividad de los habitantes de la ciudad inteligente

Echemos un vistazo a algunas de las principales nanotecnologías en juego:

Redes 5G

Al proporcionar velocidades de datos más altas, mayor capacidad de tráfico, latencia ultrabaja y alta densidad de conexión, 5G ofrece oportunidades para los innovadores urbanos que se esfuerzan por crear servicios de ciudades inteligentes.

Junto con el Internet de las cosas (IoT) y las herramientas de gestión de multitudes, 5G debería permitir a los operadores de transporte mejorar su respuesta al hacinamiento y entregar información a los pasajeros en rutas y vehículos más seguros.

Se estima que, para 2030, el mundo verá un Internet de las cosas con más de 75 mil millones de dispositivos conectados, la mayoría de los cuales requerirán 5G.

 

Los investigadores han demostrado cómo las propiedades del grafeno permiten que las comunicaciones de ancho de banda ultra amplio, junto con un bajo consumo de energía, cambien radicalmente la forma en que se transmiten los datos a través de los sistemas de comunicaciones ópticas. Esto podría convertir a los dispositivos integrados en grafeno en el ingrediente clave en la evolución de 5G y el IoT.

Los investigadores ya han demostrado la producción a escala de obleas de dispositivos fotónicos basados ​​en grafeno , lo que permite la automatización y allana el camino para la producción a gran escala.

Ya hay planes para usar el rango de sub-terahercios como rango de trabajo en la tecnología inalámbrica de sexta generación (6G), que se está preparando para su introducción activa en nuestras vidas desde principios de la década de 2030. Los investigadores ya han desarrollado nanopolvos magnéticos para su uso en dispositivos de recepción 6G.

 

Tecnología de sensores habilitada por nanotecnología

Los sensores de recopilación de datos integrados en todo tipo de dispositivos son el núcleo de las aplicaciones de IoT. Especialmente demandados son los sensores livianos, delgados, robustos y flexibles que se pueden integrar sin problemas en cualquier superficie, lo que es difícil de realizar en los sensores electromecánicos convencionales.

 

Los sensores inalámbricos, ya sean electrónicos o fotónicos (basados ​​en la luz), pueden monitorear factores ambientales como la humedad, la temperatura y la presión del aire. Un ejemplo de dispositivos de detección adecuados para IoT son los sensores inalámbricos completamente integrados y empaquetados para aplicaciones de monitoreo ambiental que se pueden imprimir en 3S.

Otro ejemplo son los sensores de grafeno integrados en RFID para la detección inalámbrica de la humedad: al aplicar capas de óxido de grafeno (un derivado del grafeno) sobre grafeno para crear una heteroestructura flexible, el equipo ha desarrollado sensores de humedad para detección remota con la capacidad de conectarse a cualquier red inalámbrica.

Todavía un poco en el futuro es el polvo inteligente : imagine una nube de sensores, cada uno del tamaño de un grano de arena o incluso más pequeño, arrastrados por los vientos huracanados y transmitiendo datos sobre la tormenta a las estaciones meteorológicas de abajo. Imagine una red de sensores invisibles integrados en las carreteras de una ciudad inteligente para monitorear el tráfico, los daños en la superficie de las carreteras e identificar los espacios de estacionamiento disponibles, todo en tiempo real. O miles de millones de nanosensores distribuidos en áreas con peligro de incendio para detectar un incendio desde el principio. O imagine polvo inteligente programable que activa una señal de alarma cuando se detectan microfisuras invisibles en una pala de turbina.

Los avances en nanoelectrónica y chiplets nanoelectrónicos ya han reducido bastante la huella del polvo inteligente (lea más: ‘ Polvo inteligente alimentado por energía solar ‘).

Nanomateriales para su uso en la construcción de edificios

La nanotecnología tiene un impacto significativo en el sector de la construcción. Se han desarrollado varias aplicaciones para este sector específico para mejorar la durabilidad y el rendimiento mejorado de los componentes de construcción, la eficiencia energética y la seguridad de los edificios, facilitando el mantenimiento y para proporcionar un mayor confort de vida.

«Las nanopartículas de TiO 2 , Al 2 O 3 o ZnO se aplican como recubrimiento final en la cerámica de construcción para llevar esta característica a las superficies. El TiO 2 se usa por su capacidad para descomponer la suciedad o la contaminación cuando se expone a la luz ultravioleta y luego permiten que el agua de lluvia lo lave en superficies como baldosas, vidrio y artículos sanitarios. El ZnO se usa para tener resistencia a los rayos UV tanto en recubrimientos como en pinturas. Las partículas nanométricas de Al 2 O 3 se usan para hacer que las superficies sean resistentes a los rayones. Estas superficies también previenen / desacelerar la formación de malos olores, hongos y moho.

 

«Los materiales de construcción básicos cemento, hormigón y acero también se beneficiarán de la nanotecnología. La adición de nanopartículas conducirá a un hormigón más fuerte, más duradero, autocurativo, purificador de aire, resistente al fuego, fácil de limpiar y de rápida compactación. Algunas de las nanopartículas que podrían Para estas características se pueden utilizar nano sílice (humo de sílice), metales nanoestructurados, nanotubos de carbono (CNT) y nanofibras de carbono (CNF).

Un poco más futurista: con la adición de nanomateriales diseñados que cambian la estructura cristalina del hormigón, los diseños arquitectónicos imaginativos se vuelven posibles y los edificios alcanzan nuevas alturas y formas. Los refuerzos de acero son cosa del pasado, ya que las estructuras de hormigón tienen una gran resistencia para sostenerse, en formas que hacen que el Museo Guggenheim parezca dócil. Diseñados a partir de los nanomateriales más resistentes y ligeros, los puentes colgantes y otros elementos que soportan peso se parecen más a telas de araña que a estructuras.

Los investigadores ya han demostrado el fortalecimiento del hormigón al infundirlo con nanocristales o mediante la nanoingeniería del hormigón con grafeno , lo que da como resultado un nuevo material compuesto que es más del doble de fuerte y cuatro veces más resistente al agua que los hormigones existentes.

Materiales fotovoltaicos

Imagínese: una amplia gama de materiales fotovoltaicos basados ​​en células solares basadas en puntos cuánticos moleculares, orgánicos, poliméricos, sensibilizados por colorantes y coloidales cubren superficies de edificios horizontales y verticales. Mejorados por diseños a nanoescala multifuncionales, capturan la luz y la convierten en energía eléctrica para los edificios y la infraestructura urbana. Por la noche, vuelven a emitir luz visible para sus edificios y alrededores.

No son los automóviles y el tráfico de vehículos los que producen los mayores volúmenes de emisiones de gases climáticos, son nuestros propios hogares. La nanotecnología está destinada a acabar con todo eso. El sector de la construcción es actualmente responsable del 40% del uso global de energía y de las emisiones de gases climáticos.

En el futuro, sin embargo, comenzaremos a ver materiales de construcción y sistemas de alta tecnología integrados en las carcasas de los edificios que están diseñados específicamente para remediar esta situación. Estos sistemas serán inteligentes y multifuncionales. Consumirán menos energía y generarán niveles más bajos de emisiones de gases climáticos nocivos.

Por ejemplo, los materiales aislantes hechos de nanoesferas permitirán reducir los espesores de los materiales aislantes existentes. Si bien los materiales de aislamiento estándar, como las lanas minerales, tienen conductividades en la región de 35 milivatios por metro, las nanoesferas pueden exhibir valores tan bajos como aproximadamente 20 mW / m. Esto es más bajo que la conductividad térmica del aire.

Las células solares instaladas en paneles fijados a nuestros techos y paredes serán cosa del pasado. En cambio, se integrarán en las tejas del techo y los materiales de los paneles de las paredes externas con celdas solares baratas de película delgada . Esto permitirá ahorrar en materiales de construcción y costos de construcción, y reducirá las facturas de electricidad.

De los 75 mil millones de dispositivos de IoT que se estima que se instalarán en 2025, la mayoría se ubicará en interiores. La instalación amplia de tales dispositivos de IoT requiere que los dispositivos se vuelvan autónomos, lo que significa que ya no deberían necesitar baterías o una conexión a la red para funcionar. Para lograr esto, es crucial identificar una fuente de energía local de bajo mantenimiento que pueda proporcionar energía local a los dispositivos de IoT, especialmente en condiciones ambientales.

Con este fin, los investigadores han desarrollado nuevas células fotovoltaicas de interior que pueden convertir hasta el 34 por ciento de la luz visible en electricidad para alimentar una amplia gama de sensores de IoT.

 

Uso generalizado de nanomateriales de ingeniería en Smart City

Se espera que los nanomateriales de ingeniería se utilicen ampliamente en entornos urbanos. El dióxido de carbono y otros contaminantes del aire se reducen a medida que las plantas de energía, los edificios y los vehículos utilizan membranas nanoestructuradas. El agua reciclada se purifica con sistemas de ósmosis y filtración nano habilitados, por ejemplo, mediante el uso de membranas de nanofiltración para tratar las aguas residuales industriales de metales pesados , y estos sistemas están disponibles para hogares individuales y nuevos sistemas de tratamiento de agua urbanos locales.

Por ejemplo, el grafeno se destaca en la eliminación de contaminantes del agua y los investigadores ya demostraron el uso de aerogeles de grafeno impresos en 3D para el tratamiento del agua .

Como los ejemplos anteriores dejan muy claro, los materiales y dispositivos habilitados por la nanotecnología desempeñarán un papel importante en sectores como la electrónica, las comunicaciones, la construcción y la energía; todos ellos son áreas clave para la implementación de ciudades inteligentes.

 

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Por Michael Berger – Michael es autor de tres libros por la Royal Society of Chemistry: Nano-Sociedad: Empujar los límites de la tecnología , Nanotecnología: el futuro es muy pequeña , y Nanoingenieria: las habilidades y herramientas hacer que la tecnología invisible Copyright © Nanowerk