España busca una luz industrial para agitar la revolución fotónica
Nuestro país cuenta con una sólida red de investigación y desarrollo en esta tecnología esencial para la era digital, pero tiene pendiente el salto al mercado
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La fotónica está por todas partes, aunque pase desapercibida y apenas sea conocida. Se encuentra en los dispositivos más cotidianos, como en la pantalla táctil de nuestros móviles o en el escáner del código de barras del supermercado (o en el de retina de los ... aeropuertos), en la luz roja del ratón de su ordenador y en los paneles fotovoltaicos de su tejado. Potentes láseres están avanzando en la industria 4.0, que los utiliza para cortar con precisión nuevos materiales y piezas complejas en cadenas de montaje. En el sector alimentario, imágenes infrarrojas comprueban el estado de conservación de los alimentos y la espectroscopia óptica mide de forma rápida y no destructiva la composición de la comida envasada. El campo de la salud está plagado de dispositivos fotónicos: para hacer desde una mamografía hasta avanzadas técnicas de imagen para diagnóstico, en terapias contra el cáncer o para medir parámetros como el azúcar o el oxígeno en sangre (sin ningún tipo de invasión en el cuerpo). Sensores fotónicos analizan estructuras de hormigón y metal para comprobar posibles deformaciones y fisuras en grandes infraestructuras y prevenir cualquier desgracia. Los fotones están en los satélites, en la navegación aérea, en mediciones de clima... Hasta en el radar láser Lidar que será el corazón que haga despegar el futuro coche autónomo. También en la base de la futura computación cuántica, que necesitará mayor velocidad y capacidad de procesamiento para resolver cálculos complejos.
Entre sus múltiples aplicaciones quizá destaca una por su enorme impacto a nivel global: gracias a los pulsos lumínicos que viajan por millones de kilómetros de fibra óptica tendida entre continentes todos estamos conectados a través de internet. Es la infraestructura que soporta la Red.
Si nos encontramos a las puertas de una nueva era, donde habrá millones de dispositivos conectados (móviles, robots, coches autónomos, sensores, máquinas), donde la inteligencia artificial y el aprendizaje automático nos liberarán de las tareas rutinarias y el tráfico de datos se multiplicará exponencialmente, la fotónica se alza como la tecnología clave para soportar toda esa infraestructura digital del futuro. Porque transmite ingentes cantidades de datos a la velocidad de la luz (diez veces más rápida que la electrónica), de forma más eficiente, con menos consumo energético y sin pérdidas.
Debido a su transversalidad, la UE considera la fotónica una tecnología habilitadora, es decir fundamental para el desarrollo de nuestras empresas ya que las hará más productivas y competitivas a nivel mundial.
La industria de la luz
Por ahora, la industria fotónica europea ocupa un luciente segundo puesto en el mercado global, según un informe publicado por la Plataforma Tecnológica Europa Photinics21. Este sector tiene en sus manos una cuota de mercado del 16%, por detrás de China que domina el 29% y por delante de América del Norte (15%). Con datos de 2019, triplicó la tasa de crecimiento del PIB de la UE ( 2,3% anual) y casi quintuplica la producción industrial en general (1,5%). A nivel global, es el sector que más crece dentro de las altas tecnologías.
Photonics21, junto a la empresa Tematys, también realizó un informe para la plataforma española Fotónica21 a partir de una base de datos de 130 empresas para conocer cómo se encuentra este sector en España. El estudio estimó que los ingresos totales de la industria fotónica de nuestro país alcanzaron en 2019 los 1.300 millones de euros. Son un número reducido de pequeñas y medianas empresas muy intensivas en tecnología que destinan una media del 10% de sus ingresos a I+D. «Requieren grandes inversiones y tiempo. El plazo desde que se realiza la investigación hasta que logran colocar su desarrollo en el mercado es largo. Unos siete años», indica Sergio Sáez, director de Secpho, un clúster de deep tech. Muchas nacen de spin-off al amparo de grupos de investigación de universidades, institutos científicos y centros tecnológicos.
Referente mundial
Y es aquí donde somos fuertes, porque contamos con una sólida red de investigación y desarrollo en fotónica. «Se podría decir que España es un referente a nivel mundial en la investigación en fotónica. Aunque la industria no está tan desarrollada como en Francia y Alemania», asegura Javier Aizpurua, que dirige el grupo de Teoría de la Nanofotónica del Centro de Física de Materiales del CSIC. «Destacamos a nivel tecnológico. Tenemos pymes que venden a nivel internacional. Pero, aparte de Telefónica e Indra, faltan empresas tractoras que empujen el desarrollo de este sector», considera Santiago Royo, coordinador de la plataforma Fotónica21, que reúne a la gran mayoría de las empresas, grupos de investigación y actores del universo fotónico español.
España es referente en la investigación de la tecnología fotónica
Todo esto es posible, y aún más aplicaciones que están por llegar, solo con luz. «La fotónica es la ciencia que estudia la interacción entre la luz y la materia», la define Aizpurua. «Esto quiere decir —continua— que la luz lleva aparejada una serie de paquetes de energía, que son los fotones, que no solo tienen color sino otras propiedades como la intensidad de los haces de luz, la polarización... Podemos explotar esas propiedades cuando hacemos incidir la luz sobre distintos materiales como semiconductores, metales, oro... Y conseguimos cosas muy diversas».
Y asombrosas. Por ejemplo, Aizpurua cuenta un reciente ensayo biomédico que se está realizando en clínicas de Estados Unidos. «Se ensaya la inoculación de nanoantenas en pacientes con cáncer de próstata. Esas nanoantenas se adhieren al tumor. Y con una incisión, muy poco invasiva, se introduce un láser que enciende las nanoantenas y estas queman sólo las células tumorales. El paciente se va a casa el mismo día. Y esta técnica está teniendo un índice de éxito del 90%».
En España también encontramos ejemplos que son revolucionarios. Como el chip fotónico programable que está desarrollando iPronics, una spin-off surgida de la Universitat Politècnica de València (UPV). Este procesador es único en el mundo: se puede configurar para diferentes aplicaciones, algo que hasta ahora no existía. «Teníamos circuitos fotónicos de aplicación específica, es decir que se diseñan para hacer una cosa y solo esa. Por ejemplo, medir la temperatura. Pero no podía hacer otra función. Lo que hemos hecho es introducir la capacidad de programar en un chip de luz igual que la tiene un chip electrónico», cuenta José Capmany, cofundador de iPhonics e investigador principal del Photonics Research Labs (PRL), del Instituto Universitario de Telecomunicación y Aplicaciones Multimedia (iTEAM). Además, se ha diseñado para que cualquier usuario que no sea experto en fotónica pueda programarlo.
«La electrónica tiene una limitación de capacidad, nuestro hardware es versátil y tiene mayor ancho de banda, más capacidad, menos consumo energético, no pierde energía y es una tecnología compatible con la electrónica. No hay que hacer máquinas nuevas ni procesos diferentes a los que se emplean con electrónica», detalla Capmany. Para industrializar y comercializar su chip reconfigurable esta spin-off ha recibido este año 2,4 millones del Consejo Europeo de Innovación. «Estamos en fase de desarrollo del producto beta, es decir se ofrece a los clientes para obtener información sobre qué cosas son útiles, cuáles hay que reforzar...», dice Capmany. Hoy día el chip cuesta alrededor de 15.000 euros, pero la idea es reducir ese precio diez veces menos.
Capmany fue también fundador de VLC Photonics, la única empresa en nuestro país que fabrica microchips fotónicos. Hoy es una multinacional ya que fue adquirida por la japonesa Hitachi High-Tech. «En España se lleva haciendo fotónica desde hace mucho tiempo, pero con vocación empresarial solo en la última década. Lo que buscamos todo el sector es tener actores en toda la cadena de valor de la fotónica y consolidarlo», defiende Capmany.
El futuro pasa por avanzar en la integración de los circuitos fotónicos y los eléctrónicos
La tendencia, como apunta Santiago Royo y Sergio Sáez, es que convivan circuitos fotónicos y electrónicos. Estos últimos ya empiezan a encontrar limitaciones: cada año o año y medio aumenta la densidad de transistores que se meten en los chips, porque necesitamos más capacidad, más velocidad... De tal forma que estamos llegando al límite de transistores que podemos incorporar a un chip. Lo que se hace es miniaturizarlos, para que quepan más. Pero es más costoso y da problemas. Por eso se piensa en que usar chips fotónicos allí donde no lleguen los chips electrónicos. «Es el futuro: hibridar las dos tecnologías a nivel de circuito integrado», sostiene Royo.
Para eso hay que avanzar también en la fotónica integrada. «Láseres, filtros, lentes que canalizan haces de luz, se miniaturizan y se obtengan chips integrados. Los electrones se calientan y envejecen. Los fotones no, no hay rozamientos porque son más rápidos y el ciclo de vida de estos componentes es más largo. Por eso son muy interesantes en el campo aeroespacial, en defensa o salud. Pero la fotónica no va a sustituir todos los componentes electrónicos», augura Sáez.
También para pymes
Pablo Romero es el coordinador del proyecto europeo Pulsate, liderado por el Centro de Innovación y Tecnología Aimen de Pontevedra. Este programa, dotado con ocho millones, busca promover la fotónica en pymes industriales (23 ya han obtenido resultados, de ellas seis son españolas). «El láser ofrece mayor calidad de precisión, mayor perfección y productividad. Se conoce su uso sobre todo en la industria del automóvil pero no en pequeños entornos. El láser corta, trata superficies, puede eliminar la necesidad de pintura y de tratamientos agresivos y contaminantes, puede cambiar el color, mejorar la resistencia a la corrosión, dar aspecto de dureza o, por ejemplo, de rugosidad a un implante de tal forma que habrá menores probabilidades de rechazo. Sirve para medir las dimensiones de un objeto, las características de una superficie o el grado de oxidación de un material. Trabajar a la velocidad de la luz puede medir el nivel de calidad de cada botella en una cadena productiva, prever su vida útil o marcar un código que permita la trazabilidad de un producto», enumera Romero.
La fotónica rompe las reglas del juego. «Puede ver algo más pequeño que mil veces el diámetro de un pelo. Eso da capacidad para aislar una molécula o incluso hacer una fotografía de una reacción química en el momento que se está produciendo», detalla. Con esta tecnología se avanza hacia límites imaginables. Sergio Sáez cuenta que se está investigando, «utilizando potentes microscopios con láser, imitar las ondulaciones y características naturales de la piel de delfines y ballenas para aplicarlas a las alas de aviones, que mejorarían en resistencia al agua, consumo energético...».
En lo más diminuto trabaja la empresa Impetux Optics, una spin-off que partió del departamento de Física de la Universidad de Barcelona. Comercializa pinzas ópticas. «La luz láser permite atrapar partículas como el tamaño de una célula hasta partículas que podemos encontrar en su interior. Si ejercemos fuerza sobre ellas podemos estudiar sus propiedades mecánicas y cómo estas propiedades alteran el funcionamiento celular en células sanas, cancerosas...», explica Oriol Nos, CEO de Impetux Optics. La mecanobiología, como así se denomina esta técnica, dará lugar en un futuro a avanzar en el diagnóstico de enfermedades y también a curarlas. Las pinzas ópticas están destinadas a un mercado nicho: a equipos de investigación y científicos repartidos por todo el mundo.
Un centro de excelencia generador de empresas
El Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Castelldefels es un centro de excelencia referente a nivel internacional que se creó en 2002. «Hacemos investigación en la frontera de lo que sabemos hacer», indica Silvia Carrasco, directora del equipo de Transferencia Tecnología en el ICFO. De sus proyectos de investigación han nacido once spin-off a lo largo de estos años. Entre las más recientes, se encuentra, por ejemplo, Quside que «vende generadores de números cuánticos aleatorios para encriptar las comunicaciones. Se usa sobre todo en ciberseguridad», explica. El sistema proporciona claves más robustas y seguras. También está Vitsolc que «diseña células fotovoltaicas orgánicas transparentes con el objetivo de instalarlas en el techo de los coches eléctricos». Y Qurv desarrolla «cámaras basadas en grafeno y puntos cuánticos para hacer imágenes en el espectro visible y en infrarrojos. Son cámaras más baratas para visión nocturna o condiciones adversas (niebla) que serán muy útiles en los coches». «Son empresas privadas con inversores privados que generan puesto de trabajo de alto valor añadido», asegura Carrasco.
En España también está el Centro de Desarrollo, Instrumentación y Sensores (CD6) de la Universitat Politècnica de Catalunya que participa en la construcción de lo que será el mayor telescopio del mundo en el desierto de Atacama y que estará operativo en 2027. Un telescopio de luz visible e infrarroja que proporcionar imágenes 15 veces más nítidas que las del telescopio Espacial Hubble.
A la vista de lo que ya consigue la luz, se abre un campo de aplicaciones infinitas, y un nuevo mundo, cuando ya dominemos los fotones.
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