Resumen:
Equipos de investigación de la Universidad de Arkansas y la Universidad de Michigan demostraron recientemente una nueva tecnología. Desarrollaron un dispositivo de recolección de energía basado en grafeno que recolecta energía de la radiación electromagnética ambiental generada por las líneas eléctricas circundantes y la convierte en energía eléctrica para alimentar sensores, lo que permite un funcionamiento independiente sin baterías ni líneas de suministro de energía.
Los investigadores utilizaron esta tecnología para construir un sistema inalámbrico de monitoreo de temperatura que incluye un recolector de energía de grafeno, un circuito de conversión de energía, un capacitor de almacenamiento de energía y un sensor de temperatura de potencia ultrabaja. Todo el sistema obtiene energía mediante inducción electromagnética y puede completar la tarea de detección de temperatura sin depender de baterías tradicionales.
El principio de funcionamiento se basa en el campo magnético cambiante producido por la corriente alterna. Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable, crea un campo magnético a su alrededor y la corriente alterna continúa cambiando de dirección e intensidad, liberando así continuamente un campo magnético cambiante que transporta energía. En la red eléctrica de EE. UU., este cambio suele ocurrir hasta 60 veces por segundo. El equipo de investigación aprovechó estas fuentes de energía, que de otro modo se descuidarían, para proporcionar energía continua a dispositivos independientes.
Para capturar la energía de este campo magnético, los investigadores utilizaron grafeno para crear inductores y agregaron un núcleo de acero para mejorar las capacidades de recolección de campos magnéticos. Cuando se coloca un dispositivo cerca de una línea eléctrica, el campo magnético cambiante alrededor del cable pasa a través del inductor e induce un voltaje de CA débil a través de él. Este proceso es el mismo principio de inducción electromagnética utilizado por los transformadores y generadores tradicionales.
Sin embargo, las señales eléctricas generadas inicialmente no pueden controlar directamente los dispositivos electrónicos. Por un lado es corriente alterna, mientras que el sensor requiere corriente continua; por otra parte, su nivel de tensión dista mucho de ser suficiente. Para ello, el equipo de investigación diseñó un circuito de conversión de energía basado en un duplicador de voltaje Cockcroft-Walton para rectificar la corriente alterna en corriente continua y aumentar gradualmente el voltaje hasta un nivel utilizable por el sensor.
A diferencia de las soluciones tradicionales, este sistema no utiliza baterías recargables, sino que utiliza tres condensadores para almacenar la energía eléctrica recogida. El condensador acumula carga gradualmente y los investigadores dicen que el recolector de energía repone la energía más rápido de lo que la consume el sensor de temperatura, lo que permite que el sistema mantenga su funcionamiento a largo plazo.
Incluso después del aumento de voltaje y el almacenamiento de energía, la escala de energía obtenida de esta manera sigue siendo muy pequeña. Para adaptarse a esta limitación, el equipo de investigación diseñó especialmente un sensor de temperatura de potencia ultrabaja cuyo consumo de energía es sólo del nivel de nanovatios, que es una milmillonésima parte de un vatio. Según los informes, el dispositivo consume aproximadamente 30 millones de veces menos energía que unos auriculares AirPods.
Los investigadores dijeron que aunque el inductor de grafeno no recolecta energía rápidamente, aún es suficiente para reponer continuamente la energía almacenada en el capacitor. Mientras haya una fuente suficiente de energía electromagnética cerca, en teoría el sistema puede funcionar indefinidamente. Al mismo tiempo, el condensador también puede almacenar el exceso de electricidad, de modo que incluso si la energía circundante se interrumpe temporalmente, el dispositivo puede seguir funcionando. Según la estimación del equipo, la carga almacenada puede mantener el sensor funcionando durante al menos 24 horas y, en algunos casos, se espera que dure incluso aproximadamente una semana.
El profesor Paul Sibado, líder de la investigación, señaló que aunque la velocidad a la que el inductor repone carga al condensador es lenta, sigue siendo mayor que la velocidad a la que el sensor consume energía. Por lo tanto, incluso después de un corte de energía, el sistema puede continuar funcionando durante un período de tiempo más largo con la energía almacenada en el capacitor.
El equipo de investigación cree que esta tecnología es muy adecuada para redes de monitoreo de temperatura en grandes instalaciones industriales. A menudo es necesario implementar miles de sensores en fábricas, sistemas de tuberías y diversos equipos mecánicos. Las soluciones tradicionales requieren un cableado de suministro de energía complejo o un reemplazo frecuente de la batería. Con la adopción de nuevas tecnologías, se espera que una gran cantidad de sensores funcionen durante mucho tiempo sin cables ni requisitos de mantenimiento de baterías.
Sin embargo, los investigadores también destacaron las limitaciones de la tecnología. En primer lugar, el dispositivo debe ubicarse cerca de un campo magnético cambiante lo suficientemente fuerte como para que no pueda generar electricidad de la nada en ningún entorno. En segundo lugar, los experimentos actuales no han demostrado que el sistema pueda arrancar por sí solo en un estado de energía completamente nula. Durante el proceso de prueba, es necesario precargar el condensador y programar el procesador con antelación. Además, la potencia de salida del sistema es extremadamente baja y actualmente solo puede controlar sensores de potencia ultrabaja especialmente diseñados, lo que no es suficiente para alimentar dispositivos electrónicos comunes como los teléfonos inteligentes.
Sin embargo, el equipo cree que este logro proporciona una dirección importante para el desarrollo de sensores autoalimentados en el futuro. Además del control de la temperatura, en el futuro también se podrán utilizar tecnologías similares en muchos campos, como el seguimiento de productos, el control del entorno atmosférico, la gestión de flotas logísticas, el control del suelo, los dispositivos sanitarios portátiles y el seguimiento médico.
Al mismo tiempo, los investigadores también están explorando el uso de energía acústica, energía no lineal, energía solar, energía térmica, energía cinética y otras fuentes de radiación ambiental para generar electricidad, con la esperanza de desarrollar eventualmente un sistema de sensores autónomo que pueda obtener simultáneamente energía de múltiples fuentes de energía ambiental para lograr un funcionamiento verdaderamente a largo plazo y sin mantenimiento.
Se han publicado resultados de investigaciones relevantes en el Journal of Vacuum Science and Technology.
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