Módulo de punto cero

El módulo de punto cero es una fuente de energía capaz de extraer energía del punto cero. Es una de las fuentes de energía más utilizada debido a que no requiere ni combustible ni mantenimiento.

Energía del punto cero

La energía del punto cero es, en física, la energía más baja que un sistema físico mecano-cuántico puede poseer y es, por tanto, la energía del estado fundamental del sistema. Todos los sistemas mecano-cuánticos tienen energía del punto cero. En la teoría cuántica de campos, es un sinónimo de la energía del vacío o de la energía oscura, una cantidad de energía que se asocia con la vacuidad del espacio vacío. A nivel experimental, la energía del punto cero genera el efecto Casimir y es directamente observable en dispositivos nanométricos.

Debido a que la energía del punto cero es la energía más baja que un sistema puede tener, no puede ser eliminada de dicho sistema. Un término relacionado es el campo del punto cero que es el estado de energía más bajo para un campo, su estado base, que no es cero.

Fundamentos físicos

En física clásica, la energía de un sistema es relativa, y se define únicamente en relación a algún estado dado (a menudo llamado estado de referencia). Típicamente, uno puede asociar a un sistema sin movimiento una energía cero, aunque hacerlo es puramente arbitrario.

En física cuántica, es natural asociar la energía con el valor esperado de un cierto operador, el Hamiltoniano del sistema. Para casi todos los sistemas mecano-cuánticos, el valor esperado más bajo posible que este operador puede tener no es cero; a este valor más bajo posible se le denomina energía del punto cero.

El origen de una energía mínima no nula puede ser intuitivamente comprendido en términos del principio de indeterminación de Heisenberg. Este principio establece que la posición y el momento de una partícula en mecánica cuántica no pueden ser conocidos con precisión simultáneamente. Si la partícula se confina en un pozo de potencial, entonces su posición es como mínimo parcialmente conocida: debe estar en el pozo. Por ello, uno puede deducir que en el pozo, la partícula no puede tener momento cero, pues de lo contrario se violaría el principio de incertidumbre. Porque la energía cinética de una partícula en movimiento, que es proporcional al cuadrado de su velocidad, no puede ser cero tampoco.

Energía del vacío

La idea de la energía del punto cero está presente en diferentes situaciones, la que se extrae en los módulos de punto cero es la energía del vacío.

En teoría cuántica de campos, el tejido del espacio se visualiza como si estuviera compuesto de campos, con el campo en cada punto del espacio-tiempo siendo un oscilador armónico simple cuantizado, que interactúa con los osciladores vecinos. En este caso, cada uno tiene una contribución de E = ℏω/2 de cada punto del espacio, resultando en una energía del punto cero técnicamente infinita. La energía de punto cero es el valor esperado del Hamiltoniano y es bautizada como energía del vacío.

Evidencia experimental

La evidencia experimental más simple de la existencia de la energía del punto cero en la teoría cuántica de campos es el Efecto Casimir. Este efecto fue propuesto en 1948 por el físico holandés Hendrik B. G. Casimir, quien analizó el campo electromagnético cuantizado entre dos placas metálicas paralelas sin carga eléctrica. Una pequeña fuerza puede medirse entre las placas, que es directamente atribuible a un cambio en la energía del punto cero del campo electromagnético entre las placas.

Aunque el efecto Casimir al principio fue difícil de medir, porque sus efectos pueden verse únicamente a distancias muy pequeñas, el efecto es muy importante en nanotecnología. No sólo porque el efecto Casimir es fácilmente medido en dispositivos nanotecnológicos especialmente diseñados, sino porque se debe tener en cuenta en el diseño y en el proceso de manufactura de los mismos. Puede ejercer fuerzas significativas y tensiones sobre los dispositivos nanotecnológicos, causando que se doblen, tuerzan, o incluso que se rompan.

Otras evidencias experimentales incluyen la emisión espontánea de luz por átomos y núcleos, el efecto Lamb de las posiciones de los niveles de energía de los átomos, los valores anómalos de la tasa giromagnética del electrón, etc.

Efecto Casimir

Fuerzas de Casimir en placas paralelas

El efecto Casimir consiste en que, dados dos objetos metálicos separados por una distancia pequeña comparada con el tamaño de los objetos, aparece una fuerza atractiva entre ambos debido a un efecto asociado al vacío cuántico. Las fluctuaciones de vacío del vacío cuántico dentro del espacio entre las placas solo existen en modos de vibración estacionarios, entonces el número de modos del espacio intermedio es inferior a los modos de fluctuación de afuera; esto causa un desequilibrio de modos vibratorios, originando una presión física externa que provoca que las placas se acerquen entre sí.

El efecto Casimir se puede entender por la idea de que la presencia de metales conductores y dieléctricos alteran el valor esperado del vacío para la energía del campo electromagnético cuantizado. Puesto que el valor de esta energía depende de las formas y de las posiciones de los conductores y de los dieléctricos, el efecto Casimir se manifiesta como fuerza entre tales objetos.

A veces, esto se describe en términos de partículas virtuales que interaccionan con los objetos, debido a una de las formulaciones matemáticas posibles para calcular la fuerza del efecto. Como la intensidad de la fuerza cae rápidamente con la distancia, es solamente medible cuando la distancia entre los objetos es extremadamente pequeña. En una escala por debajo del micrómetro, esta fuerza llega a ser tan fuerte que se convierte en la fuerza dominante entre dos conductores neutros. De hecho, en separaciones de 10 nanómetros, el efecto Casimir produce el equivalente de 1 atmósfera de presión (101.3 kPa).

Generación de energía

El efecto Casimir permite la extracción de la energía del vacío sin necesidad de proporcionar energía al sistema. El primer dispositivo que se desarrolló para lograrlo fue el siguiente:

En un primer módulo se dispone de hidrógeno atómico (H, para distinguirlo del hidrógeno molecular H2), el cual actúa como conversor de la radiación de espectro frío de la energía del punto cero al espectro de la radiación infrarroja utilizable en nuestros conversores termoeléctricos. En un segundo módulo, que recubre al primer módulo, se dispone de termopares que transforman la radiación infrarroja en energía eléctrica.