Investigadores han creado un sistema ultrafino de captación de energía que puede generar pequeñas cantidades de electricidad al doblarse o presionarse, incluso a las frecuencias muy bajas que caracterizan el movimiento humano.
El dispositivo podría dar lugar a prendas que aprovechen el movimiento para generar energía con la que cargar un teléfono móvil u otros dispositivos electrónicos pequeños.
«Estaciones de carga» humanas
«En el futuro, espero que todos nos convirtamos en estaciones de carga para nuestros dispositivos personales, al obtener energía directamente de nuestros movimientos y del entorno», afirma Cary Pint, profesor adjunto de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Vanderbilt, quien dirigió la investigación.
«Cuando miras a Usain Bolt, ves al hombre más rápido del planeta. Cuando lo miro, veo una máquina que funciona a 5 hercios»
«Esta investigación es oportuna y apasionante, dada la expansión de los dispositivos ponibles, como los exoesqueletos y la ropa inteligente, que podrían beneficiarse de los avances del Dr. Pint en materiales y captación de energía», señala Karl Zelik, profesor adjunto de Ingeniería Mecánica y Biomédica, experto en biomecánica de la locomoción que no participó en el desarrollo del dispositivo.
Actualmente, numerosas investigaciones buscan formas eficaces de aprovechar las fuentes de energía ambiental. Entre ellas figuran dispositivos mecánicos diseñados para extraer energía de vibraciones y deformaciones; dispositivos térmicos destinados a obtener energía de las variaciones de temperatura; dispositivos de energía radiante que captan energía de la luz, las ondas de radio y otras formas de radiación; y dispositivos electroquímicos que aprovechan reacciones bioquímicas.
«En comparación con otros métodos diseñados para captar energía del movimiento humano, el nuestro tiene dos ventajas fundamentales», afirma Pint. «Los materiales son tan finos como los átomos y lo bastante pequeños como para impregnarlos en tejidos sin alterar su aspecto ni su tacto, y pueden extraer energía de movimientos de menos de 10 hercios —10 ciclos por segundo— a lo largo de toda la banda de bajas frecuencias correspondiente al movimiento humano».
«Cuando miras a Usain Bolt, ves al hombre más rápido del planeta. Cuando lo miro, veo una máquina que funciona a 5 hercios», afirma Nitin Muralidharan, estudiante de doctorado que codirigió el trabajo de fabricación y prueba de los dispositivos.
Extraer energía aprovechable de movimientos de frecuencias tan bajas ha demostrado ser sumamente difícil. Varios grupos de investigación están desarrollando recolectores de energía basados en materiales piezoeléctricos, que convierten la tensión mecánica en electricidad.
Sin embargo, estos materiales suelen funcionar mejor a frecuencias superiores a 100 hercios. Esto significa que no funcionan durante más que una pequeña fracción de cualquier movimiento humano, por lo que alcanzan eficiencias limitadas, inferiores al 5-10 por ciento, incluso en condiciones óptimas.
«Se calcula que nuestro recolector funciona con una eficiencia superior al 25 por ciento en una configuración ideal del dispositivo y, lo que es más importante, capta energía durante toda la duración incluso de movimientos humanos lentos, como estar sentado o de pie», afirma Pint.
Intentarlo una y otra vez
El recolector de energía ultrafino del laboratorio se basa en las investigaciones del grupo sobre sistemas avanzados de baterías.
Durante los últimos 3 años, el equipo ha estudiado la respuesta fundamental de los materiales de las baterías al doblarse y estirarse. Fue el primero en demostrar experimentalmente que el voltaje de funcionamiento cambia cuando los materiales de las baterías se someten a tensión. Bajo tracción, el voltaje aumenta; bajo compresión, disminuye.
El equipo colaboró con Greg Walker, profesor asociado de Ingeniería Mecánica, quien utilizó modelos informáticos para validar estas observaciones en materiales de baterías de litio. Los resultados de ese estudio aparecen en la revista ACS Nano.
Estas observaciones llevaron al equipo de Pint a reconstruir la batería con electrodos positivos y negativos fabricados con el mismo material.
…los ingenieros pueden fabricar sus dispositivos tan finos o tan gruesos como requieran las aplicaciones específicas…
Aunque esto impide que el dispositivo almacene energía, le permite aprovechar al máximo los cambios de voltaje causados por la flexión y la torsión y, así, producir cantidades significativas de corriente eléctrica en respuesta a los movimientos humanos.
Los primeros estudios del laboratorio se publicaron en 2016. También se inspiraron en un avance paralelo de un grupo del Instituto Tecnológico de Massachusetts, que fabricó con silicio y litio un dispositivo del tamaño de un sello postal que captaba energía mediante el efecto investigado por Pint y su equipo.
En respuesta, los investigadores decidieron crear un dispositivo lo más fino posible utilizando láminas nanométricas de fósforo negro: este material se ha convertido en el más reciente favorito de la comunidad investigadora de materiales 2D por sus atractivas propiedades eléctricas, ópticas y electroquímicas.
Como los componentes básicos del recolector tienen aproximadamente 1/5000 del grosor de un cabello humano, los ingenieros pueden fabricar sus dispositivos tan finos o tan gruesos como requieran las aplicaciones específicas.
Han descubierto que al doblar sus dispositivos prototipo se generan hasta 40 microwatios por pie cuadrado y se puede mantener la generación de corriente durante todo el movimiento, incluso a frecuencias tan bajas como 0.01 hercios, es decir, un ciclo cada 100 segundos.
Los investigadores reconocen que uno de los retos es el voltaje relativamente bajo que produce el dispositivo: está en el rango de los milivoltios. Sin embargo, están aplicando sus conocimientos fundamentales sobre el proceso para elevar el voltaje.
También están explorando el diseño de componentes eléctricos, como pantallas LCD, que funcionen con voltajes inferiores a los habituales.
«Uno de los revisores de nuestro artículo planteó la cuestión de la seguridad», afirma Pint. «Aquí eso no supone un problema.
«Las baterías suelen incendiarse cuando se cortocircuitan los electrodos positivo y negativo, lo que inflama el electrolito. Como nuestro recolector tiene dos electrodos idénticos, un cortocircuito no hará más que impedir que el dispositivo capte energía. Es cierto que nuestro prototipo se incendiará si se pone bajo un soplete, pero podemos eliminar incluso ese riesgo utilizando un electrolito de estado sólido».
Pensar en el futuro
Una de las aplicaciones más futuristas de esta tecnología podría ser la ropa electrificada. Podría alimentar prendas impregnadas con pantallas de cristal líquido, que permitirían a quienes las llevan cambiar los colores y los estampados con un gesto en su teléfono inteligente.
«Esto podría tomar muchos rumbos…»
«Ya estamos midiendo un rendimiento que se aproxima a los requisitos de potencia de una pantalla LCD de bajo consumo y tamaño mediano, al escalar el rendimiento según el grosor y la superficie de la ropa que usamos», afirma Pint.
Pint también cree que el dispositivo podría tener aplicaciones más allá de los sistemas de energía.
«Al integrarlo en la ropa, nuestro dispositivo puede convertir el movimiento humano en una señal eléctrica de alta sensibilidad que podría proporcionar un registro histórico de nuestros movimientos. También podrían integrarse con la realidad virtual prendas que registren nuestros movimientos en tres dimensiones. Esto podría tomar muchos rumbos», afirma.
Los investigadores describen el nuevo sistema de captación de energía en la revista ACS Energy Letters.
