Investigadores del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) han desarrollado sensores fotovoltaicos que no necesitan ser reemplazados durante años. Es la respuesta a la creciente cantidad de dispositivos del “internet de las cosas” (IoT). Sus sensores, que recogen datos sobre infraestructura y medio ambiente, requieren baterías que han de reemplazarse con frecuencia.
Los investigadores del MIT esperan que en 2025 los dispositivos de IoT superen la cifra de 75 mil millones en todo el mundo. Sus sensores tienen baterías que deben ser reemplazadas frecuentemente, lo que puede ser un problema.
Antes ese problema, los investigadores del MIT han desarrollado sensores fotovoltaicos que podrían transmitir datos durante años antes de que necesiten ser reemplazados. Para hacerlo, han montado células de perovskita de película delgada como recolectores de energía en etiquetas de identificación de radiofrecuencia (RFID) de bajo coste. Las células de perovskita son conocidas por su bajo coste potencial, flexibilidad y relativa facilidad de fabricación.
Las células podrían alimentar los sensores tanto con luz solar brillante como con condiciones de interior más tenues. Además, el equipo descubrió que la energía solar en realidad da a los sensores un gran impulso de energía. Eso permite mayores distancias de transmisión de datos y la capacidad de integrar múltiples sensores en una sola etiqueta RFID.
Un importante avance en sensores fotovoltaicos
Sai Nithin Kantareddy, estudiante de doctorado en el Laboratorio de Autoidentificación del MIT, ha explicado:
“En el futuro, podría haber miles de millones de sensores a nuestro alrededor. Con esa escala, se necesitarán muchas baterías que se deberán recargar constantemente. Pero, ¿qué pasaría si se pudiera autoalimentarlos utilizando la luz ambiental? Se podrían desplegar y olvidarse de ellos durante meses o años.
Este trabajo consiste básicamente en construir etiquetas RFID mejoradas utilizando recolectores de energía para una variedad de aplicaciones».
Dos artículos publicados en las revistas Advanced Functional Materials y IEEE Sensors recogen los avances de los investigadores del MIT Auto-ID Laboratory y del MIT Photovoltaics Research Laboratory. Describen el uso de sensores para monitorear continuamente las temperaturas interiores y exteriores durante varios días. Los sensores transmitieron datos continuamente a distancias cinco veces mayores que las etiquetas RFID tradicionales, sin necesidad de baterías. Los rangos de transmisión más largos de datos indican que, entre otras cosas, un lector puede usarse para recolectar datos de múltiples sensores simultáneamente.
Dependiendo de ciertos factores en su entorno, como humedad y calor, los sensores se pueden dejar dentro o fuera durante meses. Incluso, potencialmente, años antes de que se degraden lo suficiente como para requerir un reemplazo. Eso puede ser valioso para cualquier aplicación que requiera detección a largo plazo, en interiores y exteriores. Eso incluye el seguimiento de la carga en cadenas de suministro, el monitoreo del suelo y la energía utilizada por los equipos en edificios y hogares.
Células solares tradicionales
Desde MIT explican que otros investigadores han utilizado células solares como fuentes de energía para dispositivos de Internet de las cosas (IoT). Pero esas son básicamente versiones reducidas de las células solares tradicionales, no de la perovskita.
Las células solares tradicionales, por ejemplo, son voluminosas y caras de fabricar, además son inflexibles. Y no se pueden hacer transparentes, lo que puede ser útil para sensores de monitoreo de temperatura colocados en ventanas y parabrisas de automóviles. Asimismo, recogen energía de manera eficiente de la luz solar, pero no en interiores, con poca luz.
Dos tecnologías de bajo coste
Sin embargo, las células de perovskita pueden imprimirse utilizando técnicas fáciles de fabricación con bajos costes. Se pueden hacer delgadas, flexibles y transparentes, recogiendo energía de cualquier tipo de luz interior y exterior.
La idea, por tanto, era combinar una fuente de energía de bajo coste con etiquetas RFID también de bajo coste, para monitorear miles de millones de productos en todo el mundo. Las etiquetas están equipadas con pequeñas antenas de frecuencia ultra-alta, que cuestan cada una de tres a cinco centavos.
Tradicionalmente, las etiquetas recogen un poco de la energía de radiofrecuencia enviada por el lector para encender un pequeño chip interno. Este almacena datos y usa la energía restante para modular la señal de retorno. Pero eso equivale a solo unos pocos microvatios de potencia, lo que limita su alcance de comunicación a menos de un metro.
El sensor de los investigadores consiste en una etiqueta RFID construida sobre un sustrato de plástico. Directamente conectado a un circuito integrado en la etiqueta hay una matriz de células solares de perovskita. Al igual que con los sistemas tradicionales, un lector barre la sala y cada etiqueta responde. Pero en lugar de utilizar la energía del lector, extrae la energía recolectada de la célula de perovskita para alimentar su circuito y enviar datos mediante retrodispersión de señales de RF.
Eficiencia a escala
El circuito RFID fue prototipo para monitorear solo la temperatura. Después, los investigadores apuntan a escalar y agregar más sensores de monitoreo ambiental a la mezcla, como humedad, presión, vibración y contaminación. Desplegados a escala, los sensores podrían ayudar especialmente en la recopilación de datos a largo plazo en interiores para ayudar a construir, por ejemplo, algoritmos que ayuden a hacer que los edificios inteligentes sean más eficientes energéticamente.
Ian Matthews, del Departamento de Ingeniería Mecánica, ha añadido:
“Los materiales de perovskita que utilizamos tienen un potencial increíble como cosechadores efectivos de luz interior. Nuestro siguiente paso es integrar estas mismas tecnologías utilizando métodos electrónicos impresos, lo que potencialmente permite la fabricación de sensores inalámbricos de muy bajo coste”.
