Nuestros ojos están adaptados para percibir una estrecha banda de todas las posibles longitudes de onda de la radiación electromagnética, aproximadamente entre 390 y 700 nanómetros. Si pudiéramos ver el mundo en diferentes longitudes de onda, seríamos conscientes de que, en un área urbanizada, estamos iluminados incluso en la oscuridad, constantemente irradiados por infrarrojos, microondas y ondas de radio.
Parte de esto es la radiación electromagnética ambiental emitida por los objetos a medida que sus electrones se mueven, y parte de ella transmite las señales de radio y Wi-Fi que conforman el grueso de nuestros sistemas de comunicación actuales (que probablemente esté usando para leer esto ahora).
Bien, pues toda esta radiación también lleva energía en sí misma. ¿Y si pudiéramos aprovecharla?
Investigadores del MIT, en un estudio publicado en la revista Nature, han dado recientemente un gran paso hacia el logro de este objetivo. Han desarrollado el primer dispositivo totalmente flexible que puede convertir la energía de las señales de Wi-Fi en corriente eléctrica continua utilizable.
Cualquier dispositivo que pueda convertir ondas de corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) se denomina rectenna: combina una antena y un rectificador. Esta antena capta la radiación electromagnética, convirtiéndola en corriente alterna. Luego pasa a través de un diodo, que lo convierte en corriente continua para su uso en circuitos eléctricos.
Las rectennas se propusieron por primera vez en la década de 1960, e incluso se utilizaron para demostrar un modelo de helicóptero impulsado por microondas incidentes en el año 1964 por el inventor William C. Brown. En esa etapa, los futuristas ya soñaban con la transmisión de energía inalámbrica a largas distancias, e incluso usaban rectennas para la energía solar basada en el espacio , recogiendo energía de los satélites y transmitiéndola a la Tierra.
LA RECTENA ÓPTICA
Hoy en día las nuevas técnicas de fabricación a nanoescala permiten que se utilicen para una mayor variedad de aplicaciones. Esto se demostró en 2015, cuando los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia construyeron la primera rectena óptica, capaz de sintonizar las altas frecuencias del espectro visible a partir de nanotubos de carbono.
Hasta el momento, estas nuevas rectenas ópticas tienen un bajo rendimiento, alrededor del 0,1 por ciento, y por lo tanto no pueden competir con la creciente eficiencia de los paneles solares fotovoltaicos. Pero el límite teórico para las células solares basadas en rectenas es probablemente más alto que el límite de Shockley-Quiesser de las células solares, y puede acercarse al 100 por ciento si se ilumina con radiación de una frecuencia específica. Esto hace factible la transmisión inalámbrica de energía de manera eficiente.
La parte novedosa del dispositivo fabricado por el MIT aprovecha una antena flexible de radiofrecuencia que puede capturar longitudes de onda, incluidas las asociadas con señales de Wi-Fi, y convertirlas a corriente alterna. Luego, en lugar de un diodo tradicional para rectificar esa corriente a continua, el nuevo dispositivo utiliza un semiconductor «bidimensional» que tiene solo unos pocos átomos de espesor, creando el voltaje que se podría usar para alimentar elementos portátiles, sensores, dispositivos médicos o electrónica de gran superficie entre otros.
Estas nuevas rectenas flexibles están hechas de un material 2D (bidimensional similar al grafeno) llamado disulfuro de molibdeno (MoS2), que tiene solo tres átomos de espesor. Entre sus muchas propiedades fascinantes está la reducción de la capacitancia parásita, la tendencia de los materiales en los circuitos eléctricos a actuar como condensadores, almacenando una cierta cantidad de carga. En la electrónica de corriente alterna, esto puede limitar la velocidad de los convertidores de señal y la capacidad de los dispositivos para responder a altas frecuencias. Los nuevas rectenas de disulfuro de molibdeno tienen una capacitancia parásita de un orden de magnitud inferior de aquellos que se habían desarrollado hasta ahora, lo que permite al dispositivo capturar señales de hasta 10 GHz, incluso en el rango de los dispositivos Wi-Fi típicos.
Un sistema así tendría muchos menos inconvenientes que los usuales de una batería: su ciclo de vida podría ser mucho más largo, los dispositivos eléctricos se auto cargarían simplemente con la radiación ambiental, y no hay necesidad de desechar componentes contaminantes como ocurre con las baterías.
“¿Y si desarrollásemos por ejemplo, sistemas electrónicos (grafeno) que envolviésemos alrededor de un puente o que cubran una carretera completa, o las paredes de nuestra oficina y llevar inteligencia electrónica a todo lo que nos rodea? ¿Cómo proporcionamos energía a esos aparatos electrónicos? ”, Dijo el coautor del artículo, Tomás Palacios, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT. «Hemos ideado una nueva forma de alimentar los sistemas electrónicos del futuro«.
El uso de materiales bidimensionales (2D) permite que los componentes electrónicos flexibles se fabriquen a un bajo costo y se procesen en solución, lo que potencialmente permite que el dispositivo se extienda a través de grandes áreas para recolectar radiación. Uno puede imaginar un museo o una carretera recubierta por sensores que podrían funcionar con este dispositivo flexible, que sería mucho menos costoso que usar rectenas hechas de semiconductores tradicionales de silicio o arseniuro de galio.
ENERGÍA EN PEQUEÑAS DOSIS
¿Podrás entonces cargar tu teléfono usando señales de Wi-Fi? Desafortunadamente, esto está aún por conseguir. El problema radica en la densidad de energía de las señales. En los EE.UU., La potencia máxima que un punto de acceso Wi-Fi puede usar para transmitir la seña sin una licencia de transmisión especial es de 100 milivatios (mW). Los 100 mW se irradian en todas las direcciones, extendiéndose sobre el área de superficie de una esfera desde el punto de acceso. Incluso si su teléfono móvil estuviera acumulando toda esa potencia con una eficiencia del 100 por ciento, aún tardaría días en cargar la batería de un iPhone. La pequeña superficie del teléfono y su distancia desde el punto de acceso Wi-Fi limitarán mucho la cantidad de energía que podría obtener de estas señales. En el caso del nuevo dispositivo rectena desarrollado por el MIT, puede capturar alrededor de 40 microwatts de potencia cuando se expone a una densidad de señal de Wi-Fi típica de 150 microvatios: aún no es suficiente para alimentar un iPhone, pero sí para una pequeña pantalla display o un sensor inalámbrico remoto. Por el momento, los investigadores en sus experimentos iniciales han logrado encender bombillas LED y chips de silicio con señales Wi-Fi típicas.
Por esta razón, de momento es más probable que la carga inalámbrica para aparatos más grandes dependa de los cargadores inalámbricos inductivos, que ya pueden alimentar dispositivos a pequeñas distancias en torno a un metro o aquellos en contacto directo con el cargador inalámbrico.
Sin embargo, la energía de radiofrecuencias ambientales se puede utilizar para alimentar ciertos tipos de dispositivos, como cualquier persona que haya usado una radio galena sabe. Un ejemplo muy claro es el venidero Internet de las cosas (IoT) que traerá una gran cantidad de nuevos dispositivos para aplicar dicha tecnología. Una de los principales metas en electrónica I+D es crear sensores compactos de baja potencia como sensores de temperatura portátiles o sensores integrados en componentes robóticos. Esta tecnología eliminaría la necesidad de recargar o reemplazar las baterías constantemente en cada dispositivo.
El coautor Jesús Grajal, de la Universidad Politécnica de Madrid, ve otra posible aplicación en dispositivos médicos implantables: una píldora que un paciente podría tragar y que transmite datos de salud a una computadora para su diagnóstico.
«Lo lógico es que no se usen baterías para alimentar estos sistemas, porque si pierden litio, el paciente podría morir», dice Grajal. «Es mucho mejor recolectar energía del ambiente para encender estos pequeños laboratorios dentro del cuerpo y comunicar datos a computadoras externas».
La eficiencia de rendimiento actual del dispositivo es de alrededor del 30-40 por ciento, en comparación con el 50-60 por ciento de las rectenas tradicionales. Junto a conceptos tales como la piezoelectricidad (materiales que generan energía cuando se comprimen o estiran físicamente), la electricidad generada por bacterias y los dispositivos Seebeck que generan electricidad a partir del calor ambiental y las fluctuaciones térmicas, la carrera ha comenzado para encontrar nuevas fuentes de energía para la microelectrónica del futuro.
Enviado por HIDROCAR ECOLOGICO
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