Un nuevo dispositivo de investigadores del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) pretende aprovechar la energía de los pequeños movimientos de flexión del cuerpo humano. Este aparato podría proporcionar una fuente de energía eléctrica a partir de caminar y otros movimientos ambientales. Un método basado en electroquímica de efecto triboeléctrica o piezoeléctrica.
Para muchas aplicaciones, tales como dispositivos de vigilancia biomédica, mecánicos o ambientales, el aprovechamiento de la energía de pequeños movimientos podría proporcionar una pequeña pero prácticamente ilimitada fuente de alimentación. Si bien se han intentado antes bajo una serie de enfoques, investigadores del MIT han desarrollado un nuevo método basado en principios electroquímicos, que podrían ser capaces de generar energía a partir de una gama más amplia de los movimientos y actividades naturales, como el senderismo.
El nuevo sistema, basado en la ligera flexión de un sándwich de láminas de metal y polímero, se describe en la revista Nature Communications, en un documento presentado por el profesor del MIT Ju Li, estudiantes de posgrado Sangtae Kim y Pronto Ju Choi, y otros cuatro investigadores.
Efecto triboeléctrica
La mayoría de dispositivos diseñados previamente para el aprovechamiento de pequeños movimientos se han basado en el efecto triboeléctrica (esencialmente la fricción, como frotar un globo contra un suéter de lana) o piezoeléctricos (cristales que producen un pequeño voltaje cuando se dobla o comprimido). Estos funcionan bien para fuentes de alta frecuencia del movimiento tales como los producidos por las vibraciones de la maquinaria. Sin embargo, para los movimientos típicos de escala humana, como caminar o hacer ejercicio, estos sistemas tienen límites.
“Cuando se exponen a este tipo de materiales tradicionales a un impulso responden muy bien, en microsegundos. Pero no se corresponde con la escala de tiempo de la mayoría de las actividades humanas”, dice Li, el profesor de Battelle Energy Alliance en Ciencia Nuclear e Ingeniería y profesor de ciencia de los materiales. “Además, estos dispositivos tienen alta impedancia eléctrica y rigidez a la flexión y podría ser bastante caro producirlos”, dice.
Simple y flexible
Por el contrario, el nuevo sistema utiliza una tecnología similar a la de las baterías de iones de litio, por lo que probablemente podría ser producida en gran escala a un módico precio, explica Li. Además, estos dispositivos serían inherentemente flexibles, haciéndolos más compatible con la tecnología desechable y menos propensos a romperse bajo tensión mecánica.
Mientras que los materiales piezoeléctricos se basan en un proceso puramente físico, el nuevo sistema es con electroquímica, como una batería o una pila de combustible. Utiliza dos hojas delgadas de aleaciones de litio como electrodos, separadas por una capa de polímero poroso empapado con electrolito líquido que es eficiente en el transporte de iones de litio entre las placas de metal. Pero a diferencia de una batería recargable, que toma en electricidad, almacena, y luego lo libera, este sistema lleva en energía mecánica y apaga la electricidad.
Cuando se coloca incluso una pequeña cantidad, el material compuesto en capas produce una diferencia de presión que aprieta los iones de litio a través del polímero (como en el proceso de ósmosis inversa que se utiliza en la desalación de agua). También produce un voltaje de contrarresto y una corriente eléctrica en el circuito externo entre los dos electrodos, que luego pueden ser utilizados directamente para accionar otros dispositivos.
Debido a que requiere sólo una pequeña cantidad de flexión para producir un voltaje, tal dispositivo simplemente podría tener un peso pequeño unido a un extremo para hacer que se doblara el metal como resultado de los movimientos ordinarios, por ejemplo atado a un brazo o pierna durante las actividades diarias.
A diferencia de las baterías y módulos solares, la salida del nuevo sistema se presenta en forma de corriente alterna (AC).
Este dispositivo convierte en mecánica la energía eléctrica, por lo tanto, “no está limitado por la segunda ley de la termodinámica”, dice Li, que establece un límite superior en la teóricamente posible la eficiencia. “Así que, en principio, [la eficiencia] podría ser de un 100%”, dice. En este dispositivo de primera generación desarrollado para demostrar el principio de funcionamiento electroquímico-mecánico, dice, “lo mejor que podemos esperar es un 15%” de eficiencia. Pero el sistema fácilmente podría ser fabricado en cualquier tamaño deseado y puede ser objeto de proceso de fabricación industrial.
Los dispositivos de prueba mantienen sus propiedades a través de muchos ciclos de flexión e inflexible, informa Li, con poca reducción en el rendimiento después de 1.500 ciclos. “Es un sistema muy estable”, dice.
Además de aprovechar el movimiento diario de los dispositivos portátiles de potencia, el nuevo sistema también podría ser útil en aplicaciones biomédicas, o el programa usado para los sensores de tensión integrados en entornos tales como carreteras, puentes, teclados, u otras estructuras, sugieren los investigadores. Este trabajo presenta un enorme potencial en muchas aplicaciones, tales como la electrónica flexible, sensores autoalimentados, dispositivos portátiles, interfaces hombre-máquina, la robótica, la piel artificial, etc.
Fuente: MIT – David L. Chandler
