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por AGENCIA SINC
29 Enero
2019
del Sitio Web
RTVE
La utilización de electrónica flexible
basada
en materiales bidimensionales
permite
generar electricidad a partir de
señales
electromagnéticas presentes en el ambiente,
como
las del Wi-Fi.
MIT/UPM
Se basa en las
rectenas,
que convierten
las ondas electromagnéticas
de corriente
alterna en continua
Lo han desarrollado investigadores
del Instituto
Tecnológico de Massachusetts
y otros centros
internacionales
Imagina un mundo donde los teléfonos móviles, los ordenadores
portátiles, los relojes inteligentes y otros aparatos electrónicos
funcionasen sin baterías.
Investigadores del
Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y otros centros
internacionales han dado un paso en esa dirección, presentado el
primer dispositivo totalmente flexible que puede convertir la
energía de las señales Wi-Fi en electricidad.
El avance se basa en el uso
de rectenas (del inglés,
rectifying antenna, antena rectificadora), unos sistemas que
convierten las ondas electromagnéticas de corriente alterna - como
las Wi-Fi - en continua.
En este caso los autores, que publican su trabajo (Two-dimensional
MoS2-enabled Flexible Rectenna for Wi-Fi-band wireless Energy
Harvesting) en la revista Nature, usan una antena
de radiofrecuencia flexible para capturar las ondas Wi-Fi.
Después, su señal de
corriente alterna se envía a un finísimo semiconductor de
disulfuro de molibdeno (MoS2)
- uno de los más delgados del mundo, con tan solo tres átomos de
espesor - que la convierte en corriente continua para que pueda
alimentar los circuitos electrónicos.
De esta manera, dispositivos sin batería podrían capturar y
transformar de forma pasiva las señales Wi-Fi, que cada vez inundan
más lugares de nuestro entorno, en una fuente útil de alimentación.
Además, presentan las
ventajas de ser flexibles y poderse fabricar en rollos para cubrir
áreas muy grandes.
"¿Qué pasaría si
pudiéramos desarrollar sistemas electrónicos capaces de cubrir
un puente, una carretera o las paredes de nuestra oficina,
llevando la inteligencia electrónica a todo lo que nos rodea?
¿Cómo
proporcionaríamos energía a estos aparatos electrónicos?",
comenta Tomás Palacios, coautor y profesor en el departamento de
Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT.
"Hemos ideado una nueva forma de alimentar los sistemas
electrónicos del futuro - destaca Palacios - mediante la captura
de la energía Wi-Fi de una forma que se puede integrar
fácilmente en grandes áreas para llevar esta inteligencia a cada
objeto que nos rodea".
Internet de
las cosas
Entre las primeras aplicaciones de la nueva rectena figura el
suministro de energía a dispositivos electrónicos flexibles,
aparatos portátiles y sensores para el llamado Internet de las
cosas.
Los
smartphones o
teléfonos inteligentes flexibles, por ejemplo, son un nuevo mercado
para las principales empresas tecnológicas.
En los experimentos realizados por el equipo, se ha comprobado que
su dispositivo puede producir alrededor de 40 microvatios de
potencia cuando se expone a los niveles típicos de las señales Wi-Fi
(alrededor de 150 microvatios).
Eso es más que suficiente
para iluminar la pantalla de un móvil o un chip de silicio.
Otra posible aplicación es generar energía para la transmisión de
datos en dispositivos médicos
implantables, apunta Jesús
Grajal, también coautor y profesor de la Universidad
Politécnica de Madrid (UPM).
De hecho, los
investigadores están desarrollando píldoras que pueden ser ingeridas
por los pacientes y con la capacidad de transmitir datos sobre su
salud para que se pueden registrar en un ordenador y realizar
diagnósticos.
"Lo ideal es no usar
baterías para alimentar estos sistemas porque si pierden litio,
el paciente podría morir", subraya Grajal.
"Es mucho mejor
recoger energía del ambiente para encender estos pequeños
laboratorios dentro del cuerpo y comunicar los datos a
ordenadores externos".
Electrónica flexible
basada en materiales bidimensionales
El ingeniero insiste en la novedad de esta investigación:
"La utilización de
electrónica flexible basada en materiales bidimensionales (MoS2
en este caso) para generar electricidad a partir de señales
electromagnéticas presentes en el ambiente, como las del Wi-Fi y
los móviles.
Por tanto, esta
energía es ubicua y gratuita".
Todas las rectenas
se basan en un componente conocido como rectificador, el que
realmente convierte la corriente alterna en continua.
Para fabricarlo se suele
usar
silicio o
arseniuro de galio, unos materiales
que cubren la banda del Wi-Fi, pero con el inconveniente de su
rigidez.
Además, aunque no son
caros cuando se destinan a pequeños dispositivos, si se usaran para
cubrir grandes áreas, como las superficies de edificios y paredes,
tendrían un coste prohibitivo.
Los científicos llevan tratando de solucionar estos problemas desde
hace mucho tiempo.
Las pocas rectenas
flexibles presentadas hasta ahora operaban a bajas frecuencias y no
podían capturar y convertir señales en frecuencias de gigahercios,
donde se encuentran la mayoría de las señales de teléfonos celulares
y Wi-Fi.
"El silicio o el
arseniuro de galio consiguen mejores eficiencias porque sus
dispositivos están más optimizados después de años en
laboratorios académicos y en la industria - apunta Grajal.
Pero tras una
optimización de los dispositivos basados en nuevos materiales
bidimensionales, las diferencias se reducirán. Con estos se
puede crear electrónica flexible que se adapte a cualquier
superficie, mientras que los otros dos son rígidos.
Por tanto, con estos
semiconductores 2D se pueden realizar circuitos que se adapten a
la forma de las superficie de los objetos, mejorando su
despliegue".
Para construir su
rectificador, los investigadores han optado por el disulfuro de
molibdeno.
Además de ser uno de los
semiconductores más finos del mundo, se aprovecha un comportamiento
singular que presenta este material:
cuando se expone a
ciertos químicos, sus átomos se reorganizan de forma que actúa
como un interruptor, forzando una transición de fase de un
semiconductor a un material metálico.
Esta estructura se conoce
como
diodo Schottky, y viene a ser el
cruce de un semiconductor con un metal.
"Este diseño ha
permitido un dispositivo completamente flexible y que es lo
suficientemente rápido como para cubrir la mayoría de las bandas
de radiofrecuencia utilizadas por nuestros dispositivos
electrónicos cotidianos, incluyendo Wi-Fi, Bluetooth, los
llamados móviles LTE (long-term-evolution, una tecnología de
banda ancha inalámbrica) y muchos otros", dice Zhang.
Capacitancia
parásita
"Al diseñar MoS2 en
una unión de fase metálica-semiconductora 2-D, construimos un
diodo Schottky ultrarrápido y atómico que minimiza
simultáneamente dos problemas: la resistencia en serie y la
capacitancia parásita", subraya el primer autor, Xu Zhang, del
MIT, aunque pronto se unirá a la Universidad Carnegie Mellon.
La capacitancia parásita
es una circunstancia inevitable en electrónica cuando ciertos
materiales almacenan un poco de carga eléctrica, lo que ralentiza el
circuito.
Por tanto, una menor
capacitancia significa mayores velocidades del rectificador y
mayores frecuencias de operación.
La capacitancia parásita
del diodo Schottky desarrollado es un orden de magnitud más
pequeño que los rectificadores flexibles actuales, por lo que es
mucho más rápido en la conversión de señales y puede capturar y
convertir hasta 10 gigahercios de señales inalámbricas.
Los autores también destacan que este trabajo ofrece la base para
desarrollar otros aparatos flexibles capaces de transformar la Wi-Fi
en electricidad con un rendimiento y eficiencia considerables.
Actualmente la eficiencia
máxima de salida que alcanza este dispositivo es del 40%,
dependiendo de la potencia de entrada de la Wi-Fi, aunque con el
nivel típico de potencia de la señal inalámbrica, la eficiencia
energética de este rectificador de MoS2 es de alrededor del 30%.
A modo de referencia, las
mejores rectenas de silicio y arseniuro de galio de hoy en
día alcanzan del 50% al 60% de eficiencia, pero son rígidas y más
caras.
El equipo ahora planea
construir sistemas más complejos y mejorar la eficiencia de su
propuesta.
Además de los autores mencionados, en este estudio participan otros
15 investigadores de,
-
el MIT
-
la UPM
-
la Universidad
Carlos III de Madrid
-
el Laboratorio de
Investigación del Ejército de EE.UU.
-
la Universidad de
Boston
-
la Universidad
del Sur de California
En parte, este trabajo ha
sido posible gracias a una colaboración del MIT con la UPM a través
de las Iniciativas Internacionales de Ciencia y Tecnología
del instituto tecnológico estadounidense.
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