Física
LED para potabilizar el agua
Óptica
Un diodo LED, acrónimo inglés de Light-Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo semiconductor que emite luz monocromática cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de diodos IRED (Infra-Red Emitting Diode).
El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida.
Aplicaciones de los LED
Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores.
Los diodos LED se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tráfico, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36.6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED.
El uso de lámparas LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es previsible que se incremente en el futuro, ya que aunque sus prestaciones son intermedias entre la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, presenta indudables ventajas, particularmente su larga vida útil, su menor fragilidad y la menor disipación de energía, además de que, para el mismo rendimiento luminoso, producen la luz de color, mientras que los hasta ahora utilizados, tienen un filtro, lo que reduce notablemente su rendimiento.
Esterilización con LED
Dos equipos de EE.UU. que trabajan en un módulo de esterilización de agua que utiliza LED ultravioleta basados en AlGaN, han demostrado su capacidad para matar bacterias dañinas en el agua. Uno de los conceptos desarrollados es un módulo que no requiere una fuente de energía externa para accionar los LED, en su lugar se basa el flujo de agua para generar la corriente eléctrica requerida.
Tales módulos de purificación, que en el futuro serán más pequeños y más adecuados que los que utilizan lámparas de mercurio para eliminar bacterias, podrían convertirse en un mercado de gran volumen para los UV-LED.
Aunque el concepto de la destrucción de las bacterias con UV-LED se había demostrado antes con muestras de agua estática, la purificación del agua que fluye es crítica para que la tecnología llegue a ser comercialmente viable. En colaboración con el microbiólogo Anne Hanson en la universidad de Maine Orono, Hydro-Photon, una compañía Blue Hill, ME, desarrolló un módulo para tratamiento del agua a nivel de prototipo, que utiliza 10 LED AlGaN, fabricado por la empresa "Sensor Electronic Technology (SET)", de Carolina del Sur.
Los dispositivos usan el módulo desarrollado en colaboración con el grupo de Asif Khan en la universidad de Carolina del Sur, emiten a 280 nanómetros, y los 4 cm3 en el compartimiento de tratamiento, de aluminio, se diseñan para maximizar el reflejo de luz en esta longitud de onda.
En pruebas usando agua del grifo estéril pero contaminada con una concentración de 10000 microbios/ml de E Coli, los UV-LED destruyeron por lo menos el 95.5% de las bacterias. Los mejores resultados fueron considerados en flujos de agua más bajos, donde se daba la destrucción del germen en cerca de 100%.
"Los resultados nos pusieron un paso más cerca para demostrar la viabilidad básica del concepto del purificador de fluido de agua por UV-LED," dijo Maiden, CEO de Hydro-Photon. "En este punto, el desafío es continuar mejorando eficacia del LED y la potencia generada. Más energía significa un flujo más rápido y más agua purificada por minuto".
Tratamiento de alcantarillado
Mientras tanto, una segunda firma - Oh Technology (OHT), que también está trabajando con los LED- dice haber logrado niveles reducidos de bacterias en el alcantarillado. Las pruebas usaban un prototipo que contenía 16 LED de AlGaN en alcantarillado con residuos fecales. Según el equipo de verificación, que incluía laboratorios independientes, las muestras que contenían bacterias fecales coliformes mostraron una reducción del 60% en la concentración de las bacterias después de un segundo tratamiento. Estas bacterias se encuentran en la zona digestiva, e incluyen tipos tales como enterobacteria, citrobacter y E Coli, las concentraciones de estas bacterias son un indicador de la contaminación del alcantarillado y en abastecimientos de agua.
"Nuestra meta es aliviar las situaciones inadecuadas del agua que se han convertido en una epidemia global," dijo el ejecutivo Damien Lieggi de OHT. "Los resultados de la prueba han proporcionado indicios de la viabilidad básica y de la eficacia inmediata de la esterilización por medio de los LED." Lieggi agregó: "Deseamos dar la vuelta a las peores condiciones posibles en el agua potable, percibimos que hemos alcanzado grandes resultados a este nivel". Lieggi describe la tecnología de OHT como "independiente económicamente", pues no precisa de una fuente de energía externa: "La tecnología utiliza el flujo de agua, que se convierte en energía eléctrica para alimentar los LED, que esterilizan el agua".
Los LED en la disposición actual emiten cerca de 1 mW de potencia, aproximadamente a una longitud de onda de 270 nanómetros, mientras que OHT y SET están probando nuevos dispositivos mejorados. Lieggi dice que un producto comercial se presentará dentro de algunos meses.
Récord de potencia
nLight está desarrollando diodos-láser de alta potencia, y elevada eficiencia basados en GaAs e INP, dicen que han establecido un nuevo récord mundial para potencia de salida, de una sola barra láser de INP de 1 centímetro.
Una barra de INP refrigerada por agua, elaborada por la empresa Vancouver, WA, produjo 88 W de potencia continua en la longitud de onda de 1470 nanómetros. Lo significativo, dice el nLight, es que las barras de diodo basadas en esta tecnología podrían mejorar substancialmente los láseres de estado sólido bombeados-diodo de alta potencia (DPSS) que emiten en el rango conocido como "seguro para la vista" de 1400-1600 nanómetros.
Estos sistemas láser se bombean generalmente con diodos de alta potencia de GaAs que emiten alrededor 800 nanómetros. Sin embargo, requieren un sistema adicional, conocido como oscilador paramétrico óptico (OPO), para cambiar la longitud de onda de salida al rango seguro para la visión.
Usar el diodo de barra basado en INP, significa que OPO no es necesario, porque la salida de 1470 nanómetros se puede utilizar para bombear un cristal dopado con erbio, que emite directamente en la gama segura. Los sistemas DPSS se pueden hacer más pequeños y más baratos, pudiendo encontrar más usos. La física de la estructura cristalina del erbio dopado también significa que se requiere menos energía de bombeo, en por lo menos un orden de magnitud.
El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida.
Aplicaciones de los LED
Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores.
Los diodos LED se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tráfico, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36.6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED.El uso de lámparas LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es previsible que se incremente en el futuro, ya que aunque sus prestaciones son intermedias entre la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, presenta indudables ventajas, particularmente su larga vida útil, su menor fragilidad y la menor disipación de energía, además de que, para el mismo rendimiento luminoso, producen la luz de color, mientras que los hasta ahora utilizados, tienen un filtro, lo que reduce notablemente su rendimiento.
Esterilización con LED
Dos equipos de EE.UU. que trabajan en un módulo de esterilización de agua que utiliza LED ultravioleta basados en AlGaN, han demostrado su capacidad para matar bacterias dañinas en el agua. Uno de los conceptos desarrollados es un módulo que no requiere una fuente de energía externa para accionar los LED, en su lugar se basa el flujo de agua para generar la corriente eléctrica requerida.
Tales módulos de purificación, que en el futuro serán más pequeños y más adecuados que los que utilizan lámparas de mercurio para eliminar bacterias, podrían convertirse en un mercado de gran volumen para los UV-LED.
Aunque el concepto de la destrucción de las bacterias con UV-LED se había demostrado antes con muestras de agua estática, la purificación del agua que fluye es crítica para que la tecnología llegue a ser comercialmente viable. En colaboración con el microbiólogo Anne Hanson en la universidad de Maine Orono, Hydro-Photon, una compañía Blue Hill, ME, desarrolló un módulo para tratamiento del agua a nivel de prototipo, que utiliza 10 LED AlGaN, fabricado por la empresa "Sensor Electronic Technology (SET)", de Carolina del Sur.
Los dispositivos usan el módulo desarrollado en colaboración con el grupo de Asif Khan en la universidad de Carolina del Sur, emiten a 280 nanómetros, y los 4 cm3 en el compartimiento de tratamiento, de aluminio, se diseñan para maximizar el reflejo de luz en esta longitud de onda.
En pruebas usando agua del grifo estéril pero contaminada con una concentración de 10000 microbios/ml de E Coli, los UV-LED destruyeron por lo menos el 95.5% de las bacterias. Los mejores resultados fueron considerados en flujos de agua más bajos, donde se daba la destrucción del germen en cerca de 100%.
"Los resultados nos pusieron un paso más cerca para demostrar la viabilidad básica del concepto del purificador de fluido de agua por UV-LED," dijo Maiden, CEO de Hydro-Photon. "En este punto, el desafío es continuar mejorando eficacia del LED y la potencia generada. Más energía significa un flujo más rápido y más agua purificada por minuto".
Tratamiento de alcantarillado
Mientras tanto, una segunda firma - Oh Technology (OHT), que también está trabajando con los LED- dice haber logrado niveles reducidos de bacterias en el alcantarillado. Las pruebas usaban un prototipo que contenía 16 LED de AlGaN en alcantarillado con residuos fecales. Según el equipo de verificación, que incluía laboratorios independientes, las muestras que contenían bacterias fecales coliformes mostraron una reducción del 60% en la concentración de las bacterias después de un segundo tratamiento. Estas bacterias se encuentran en la zona digestiva, e incluyen tipos tales como enterobacteria, citrobacter y E Coli, las concentraciones de estas bacterias son un indicador de la contaminación del alcantarillado y en abastecimientos de agua.
"Nuestra meta es aliviar las situaciones inadecuadas del agua que se han convertido en una epidemia global," dijo el ejecutivo Damien Lieggi de OHT. "Los resultados de la prueba han proporcionado indicios de la viabilidad básica y de la eficacia inmediata de la esterilización por medio de los LED." Lieggi agregó: "Deseamos dar la vuelta a las peores condiciones posibles en el agua potable, percibimos que hemos alcanzado grandes resultados a este nivel". Lieggi describe la tecnología de OHT como "independiente económicamente", pues no precisa de una fuente de energía externa: "La tecnología utiliza el flujo de agua, que se convierte en energía eléctrica para alimentar los LED, que esterilizan el agua".
Los LED en la disposición actual emiten cerca de 1 mW de potencia, aproximadamente a una longitud de onda de 270 nanómetros, mientras que OHT y SET están probando nuevos dispositivos mejorados. Lieggi dice que un producto comercial se presentará dentro de algunos meses.
Récord de potencia
nLight está desarrollando diodos-láser de alta potencia, y elevada eficiencia basados en GaAs e INP, dicen que han establecido un nuevo récord mundial para potencia de salida, de una sola barra láser de INP de 1 centímetro.
Una barra de INP refrigerada por agua, elaborada por la empresa Vancouver, WA, produjo 88 W de potencia continua en la longitud de onda de 1470 nanómetros. Lo significativo, dice el nLight, es que las barras de diodo basadas en esta tecnología podrían mejorar substancialmente los láseres de estado sólido bombeados-diodo de alta potencia (DPSS) que emiten en el rango conocido como "seguro para la vista" de 1400-1600 nanómetros.
Estos sistemas láser se bombean generalmente con diodos de alta potencia de GaAs que emiten alrededor 800 nanómetros. Sin embargo, requieren un sistema adicional, conocido como oscilador paramétrico óptico (OPO), para cambiar la longitud de onda de salida al rango seguro para la visión.
Usar el diodo de barra basado en INP, significa que OPO no es necesario, porque la salida de 1470 nanómetros se puede utilizar para bombear un cristal dopado con erbio, que emite directamente en la gama segura. Los sistemas DPSS se pueden hacer más pequeños y más baratos, pudiendo encontrar más usos. La física de la estructura cristalina del erbio dopado también significa que se requiere menos energía de bombeo, en por lo menos un orden de magnitud.
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