Investigadores de la Universidad de Arkansas y la Universidad de Michigan desarrollaron un cosechador de energía basado en grafeno que genera electricidad a partir de la radiación ambiental de los cables eléctricos cercanos, informó New Atlas.
Lo demostraron con un sistema de medición de temperatura sin batería, compuesto por el cosechador, un circuito de conversión de potencia, capacitores de almacenamiento y un sensor de temperatura de consumo ultrabajo. El sistema funciona de forma inalámbrica y obtiene la electricidad para el sensor por inducción electromagnética.
¿Cómo saca energía de un cable?
La corriente que circula por un cable genera un campo magnético a su alrededor. Con corriente alterna (AC), ese campo cambia de dirección e intensidad todo el tiempo al ritmo de la oscilación. En Estados Unidos, donde se desarrolló el sistema, eso pasa a 60 Hz, o sea 60 ciclos por segundo. Esos campos cambiantes transportan energía.
Los investigadores encontraron cómo capturar parte de esa energía y convertirla en electricidad suficiente para un sensor de temperatura pequeño. Fabricaron un inductor de grafeno y le agregaron un núcleo de acero para mejorar su capacidad de captar el campo magnético. Puesto cerca de un cable de poder, el campo fluctuante atraviesa el inductor e induce en él un voltaje alterno muy pequeño. Es el mismo principio de inducción electromagnética que usan los transformadores y generadores convencionales.
Esa señal diminuta todavía no sirve para alimentar componentes electrónicos. Para empezar es alterna, y el sensor necesita corriente continua (DC). Además, su voltaje es demasiado bajo para mover algo de forma confiable. Ahí entra la segunda parte del dispositivo, la conversión de potencia y el almacenamiento.
Un multiplicador Cockcroft-Walton y tres capacitores
Los investigadores diseñaron un circuito basado en un multiplicador de voltaje Cockcroft-Walton, que rectifica la señal alterna a continua y sube su voltaje paso a paso hasta niveles útiles para la electrónica del sensor. En vez de una batería recargable, el sistema guarda la electricidad cosechada en tres capacitores, que acumulan carga de a poco. Según los investigadores, el cosechador repone la energía almacenada más rápido de lo que el sensor la consume.
Aun así, la electricidad sigue siendo demasiado poca para la electrónica estándar. Para resolverlo, el equipo ajustó el consumo a lo disponible y diseñó un sistema de medición de temperatura propio que funciona en la escala de los nanowatts, o sea milmillonésimas de watt. Como referencia, consume unas 30 millones de veces menos energía que un solo AirPod.
Aunque el inductor de grafeno cosecha energía de forma lenta, los investigadores dicen que repone los capacitores más rápido de lo que el sensor los descarga. Eso permite que el sistema siga funcionando mientras haya suficiente energía electromagnética disponible. Los capacitores además guardan el excedente, así que el sensor sigue andando aunque se corte la electricidad cercana. Según el equipo, la carga almacenada alcanza para al menos 24 horas y quizás hasta una semana.
"El inductor carga estos capacitores a un ritmo lento, pero es más rápido que el ritmo al que el sensor gasta la carga de los capacitores. Así que, aunque se corte la luz, igual puede sacar carga de los capacitores. Tal como los tenemos configurados, puede durar 24 horas sin problema, probablemente incluso una semana", dijo el profesor Paul Thibado, inventor del cosechador de energía de grafeno.
¿Dónde se usaría?
Un ejemplo de aplicación es una planta industrial grande con miles de sensores de temperatura que vigilan maquinaria, cañerías y el ambiente. Lo normal es que esos sensores necesiten alimentación cableada, con toda la complejidad que eso implica, o baterías que en algún momento hay que cambiar. Con este dispositivo, muchos sensores podrían funcionar sin un solo cable y sin recargarse nunca.
El grupo trabaja con sensores de temperatura como prueba de concepto, pero apunta a una gama amplia de sensores de bajo consumo para usos como "seguimiento de productos, monitoreo atmosférico, gestión de flotas logísticas, monitoreo de suelos y de actividad física con dispositivos ponibles, y seguimiento médico", entre otros.
Los investigadores también trabajan en cosechar electricidad de otras fuentes, como la acústica, la solar, la térmica, la cinética y la radiación ambiental, con el objetivo de desarrollar sistemas de sensores autónomos que tomen energía de varias fuentes del entorno.
Las salvedades
El cosechador necesita campos magnéticos variables lo bastante fuertes cerca de cables eléctricos. No genera electricidad en cualquier lugar. Además, los investigadores no han demostrado que el sistema pueda arrancar solo desde un estado completamente descargado, porque los capacitores estaban cargados y el procesador programado antes de la operación. Y la salida de nanowatts apenas alcanza para el sensor dedicado, así que un teléfono que se cargue solo del aire no está en el horizonte.
El estudio se publicó en el Journal of Vacuum Science and Technology. La fuente original es la Universidad de Arkansas.
