Nuestros ojos están sintonizados solo con una banda estrecha de posibles longitudes de onda de radiación electromagnética, del orden de 390-700 nanómetros. Si pudiera ver el mundo en diferentes longitudes de onda, sabría que en un área urbana está iluminado incluso en la oscuridad: radiación infrarroja, microondas y ondas de radio están en todas partes. Parte de esta radiación electromagnética del medio ambiente es emitida por objetos que dispersan sus electrones por todo el lugar, y algunos transportan las señales de radio y Wi-Fi que subyacen a nuestros sistemas de comunicación. Toda esta radiación también transporta energía.
¿Y si pudiéramos aprovechar la energía de las ondas electromagnéticas?
Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts presentaron un estudio que apareció en la revista Nature que detalla cómo llegaron a la implementación práctica de este objetivo. Desarrollaron el primer dispositivo completamente flexible que puede convertir la energía de las señales Wi-Fi en electricidad de CC utilizable.
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Cualquier dispositivo que pueda convertir señales de CA en corriente continua (CC) se denomina antena rectificadora. La antena capta la radiación electromagnética y la convierte 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 en 1964 por el inventor William Brown. En esta etapa, los futuristas ya soñaban con la transmisión inalámbrica de energía a largas distancias e incluso el uso de rectennas para recolectar energía solar espacial de los satélites y transmitirla a la Tierra.
Recta óptica
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Hoy en día, las nuevas tecnologías para trabajar a nanoescala permiten muchas cosas nuevas. En 2015, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia ensamblaron la primera rectenna óptica de nanotubos de carbono capaz de manejar altas frecuencias en el espectro visible.
Hasta ahora, estas nuevas rectas ópticas tienen eficiencias bajas, alrededor del 0,1 por ciento, y por lo tanto no pueden competir con la eficiencia cada vez mayor de los paneles solares fotovoltaicos. Pero el límite teórico para las células solares basadas en rectenna es probablemente más alto que el límite de Shockley-Kuisser para células solares, y puede alcanzar el 100% cuando se ilumina con radiación de cierta frecuencia. Esto permite una transmisión de energía inalámbrica eficiente.
La nueva parte del dispositivo, fabricada por MIT, aprovecha una antena de RF flexible que puede capturar longitudes de onda asociadas con señales Wi-Fi y convertirlas en corriente alterna. Luego, en lugar de un diodo tradicional para convertir esa corriente en CC, el nuevo dispositivo utiliza un semiconductor "bidimensional" de solo unos pocos átomos de espesor, lo que crea un voltaje que puede usarse para alimentar dispositivos portátiles, sensores, dispositivos médicos o electrónica de gran superficie.
Las nuevas rectenas están formadas por materiales bidimensionales (2D): disulfuro de molibdeno (MoS2), que tiene solo tres átomos de espesor. Una de sus propiedades notables es la reducción de la capacitancia parásita, la tendencia de los materiales en los circuitos eléctricos a actuar como condensadores que contienen una cierta cantidad de carga. En la electrónica de CC, esto puede limitar la velocidad de los convertidores de señal y la capacidad de los dispositivos para responder a altas frecuencias. Las nuevas rectennas de disulfuro de molibdeno tienen una capacitancia parásita en un orden de magnitud menor que las desarrolladas hasta la fecha, lo que permite que el dispositivo capture señales de hasta 10 GHz, incluso en el rango de los dispositivos Wi-Fi típicos.
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Un sistema de este tipo tendría menos problemas con las baterías: su ciclo de vida sería mucho más largo, los dispositivos eléctricos se cargarían con la radiación ambiental y no habría necesidad de desechar componentes, como es el caso de las baterías.
“¿Qué pasaría si pudiéramos desarrollar sistemas electrónicos que envolverían un puente o que cubrirían una carretera entera, las paredes de nuestra oficina y darían inteligencia electrónica a todo lo que nos rodea? ¿Cómo van a alimentar toda esta electrónica?”, Pregunta el coautor Thomas Palacios, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del Instituto de Tecnología de Massachusetts. "Hemos ideado una nueva forma de alimentar los sistemas electrónicos del futuro".
El uso de materiales 2D permite producir componentes electrónicos flexibles a bajo costo, lo que potencialmente nos permite colocarlos en grandes áreas para recolectar radiación. Se podrían usar dispositivos flexibles para equipar un museo o la superficie de una carretera, y sería mucho más barato que usar rectennas de semiconductores tradicionales de silicio o arseniuro de galio.
¿Puedo cargar mi teléfono con señales de Wi-Fi?
Desafortunadamente, esta opción parece muy poco probable, aunque a lo largo de los años el tema de la "energía libre" ha engañado a la gente una y otra vez. El problema radica en la densidad de energía de las señales. La potencia máxima que puede usar un punto de acceso Wi-Fi sin una licencia de transmisión dedicada suele ser de 100 milivatios (mW). Estos 100mW irradian en todas las direcciones, extendiéndose sobre el área de superficie de una esfera centrada en el AP.
Incluso si su teléfono móvil recolectara toda esta energía con una eficiencia del 100 por ciento, aún tomaría días cargar la batería del iPhone, y el tamaño reducido del teléfono y la distancia al punto de acceso limitarían severamente la cantidad de energía que podría recolectar de estas señales. El nuevo dispositivo del MIT podrá capturar alrededor de 40 microvatios de potencia cuando se exponga a una densidad Wi-Fi típica de 150 microvatios: no lo suficiente para alimentar un iPhone, pero lo suficiente para una pantalla simple o un sensor inalámbrico remoto.
Por esta razón, es mucho más probable que la carga inalámbrica para dispositivos más grandes dependa de la carga por inducción, que ya puede alimentar dispositivos hasta un metro de distancia si no hay nada entre el cargador inalámbrico y el objeto de carga.
Sin embargo, la energía de RF circundante se puede utilizar para alimentar ciertos tipos de dispositivos. ¿Cómo crees que funcionaban las radios soviéticas? Y el próximo Internet de las cosas definitivamente utilizará estos modelos alimentarios. Solo queda crear sensores con bajo consumo de energía.
El coautor Jesús Grajal de la Universidad Politécnica de Madrid ve un uso potencial en dispositivos médicos implantables: una pastilla que un paciente puede tragar transferirá los datos de salud a una computadora para su diagnóstico. “Idealmente, no querríamos usar baterías para alimentar estos sistemas, porque si dejan pasar el litio, el paciente podría morir”, dice Grajal. "Es mucho mejor recolectar energía del medio ambiente para alimentar estos pequeños laboratorios dentro del cuerpo y transmitir datos a computadoras externas".
La eficiencia actual del dispositivo es de alrededor del 30-40% en comparación con el 50-60% de las rectennas tradicionales. Junto con conceptos como la piezoelectricidad (materiales que generan electricidad cuando se exprimen o estiran físicamente), la electricidad generada por bacterias y el calor del ambiente, la electricidad "inalámbrica" puede convertirse en una de las fuentes de energía para la microelectrónica del futuro.
Ilya Khel
