energy harvesting y nanotecnología

El actual estado de la ciencia y la tecnología permite al hombre fabricar dispositivos cada vez más diminutos, con las más variadas funciones y utilidades. Uno de los retos a los que nos enfrentamos es el de dotar dichos dispositivos con fuentes de energía propias; compactas pero autónomas. Las investigaciones en torno a la microgeneración de potencia se centran fundamentalmente en dos áreas. Por un lado, se están tratando de escalar los motores de combustión tradicionales para hacer réplicas de los mismos a escala micrométrica. Y por otro lado, se están desarrollando unos novedosos dispositivos generadores capaces de crear potencia aprovechando acumulaciones de energía residual presentes en el ambiente.

La mayoría de las máquinas que utilizamos a diario y que mejoran nuestra calidad de vida requieren de un determinado aporte de potencia que las haga funcionar. En algunos casos, el tamaño de la fuente energética que las alimenta no nos importa demasiado (piénsese por ejemplo en un coche o en un electrodoméstico). Sin embargo, hay veces que el tamaño de la fuente es fundamental. En el caso de los dispositivos portátiles, su importancia es evidente. Un teléfono móvil no sería nada práctico si tuviéramos que tenerlo acoplado a un motor o si requiriese una batería de dimensiones desproporcionadas.

A medida que construimos máquinas cada vez más pequeñas, también necesitamos fuentes de alimentación más compactas y eficientes. Hasta ahora, el desarrollo de las baterías nos ha facilitado bastante las cosas. Las baterías nos han permitido ciertas libertades como por ejemplo operar sistemas eléctricos en emplazamientos aislados, o desvincular algunos aparatos cotidianos de la permanente conexión a la red. Sin embargo, aún en muchos casos la batería supone la mayor parte del peso de dichos aparatos, y sobre todo, tienen el inconveniente de necesitar ser recargadas cada cierto tiempo. Por ello, no son pocos los campos en los que se tiende ya a sustituir las baterías convencionales por sistemas de aporte de potencia más compactos o más autónomos.

Evolución a lo largo del tiempo del porcentaje de volumen ocupado por la fuente de energía en las máquinas

El desarrollo de la nanotecnología se encuentra en plena ebullición. En ciertos sectores empieza ya a ser habitual hablar de un nuevo concepto de generación de potencia, que es lo que se conoce como “energy harvesting” o “power scavenging”. La idea es aprovechar la energía presente en nuestro entorno o incluso en nuestro propio cuerpo para transformarla en energía eléctrica, almacenarla, y alimentar in situ pequeños dispositivos electrónicos. Tecnológicamente, su tipología es tan variada como los fenómenos energéticos que los alimentan: un gradiente de temperatura, un movimiento vibratorio, una radiación electromagnética, una corriente de aire, etc.

Las aplicaciones del “energy harvesting” son numerosas. En la medicina, su uso permite, por ejemplo, colocar en el propio cuerpo de los pacientes microdispositivos de medida y actuación, que controlen ciertos parámetros biológicos de forma completamente autónoma e indefinida. El movimiento del cuerpo al caminar, o los gradientes de temperatura entre el cuerpo y el ambiente, son fuentes potenciales de energía para la implantación de estos biosensores.

Asociados a sensores, es frecuente últimamente ver estos microgeneradores de potencia en edificios inteligentes, donde son usados para monitorizar parámetros como la temperatura y la humedad.

También es de gran utilidad en el campo de las telecomunicaciones o la computación. Colocando un circuito generador de potencia en una antena receptora de radio es posible aprovechar la energía presente en el ambiente en forma de ondas electromagnéticas para enviar nuevas señales, o bien para convertirla en un voltaje útil.

Microgenerador termoeléctrico 

Microgenerador piezoeléctrico

Se trata sin duda de un gran avance tecnológico; estamos hablando de plantas de potencia a escala micrométrica. Y unido a ello van los avances en el campo de las microbaterías que no son para nada menospreciables. Pero a pesar de todo, hay una limitación que estos microgeneradores de energía no han sido capaces de salvar hasta ahora: su reducida densidad energética.

El término densidad energética se refiere a la cantidad de energía que un sistema es capaz de generar por unidad de volumen. En el ámbito del “energy harvesting” los reportes más optimistas hablan de 100 mW/cm3 (cuando la fuente es la radiación solar directa). Un valor que aún dista mucho del que puede tener cualquier otro sistema de generación de potencia convencional, ya sea un motor de combustión, una central térmica, o una planta nuclear. En términos prácticos, eso implica que, aprovechando la energía del medio, podemos mover las agujas de un reloj, pero no hablar por un teléfono móvil ni manejar un ordenador.

La pregunta es: ¿podría un motor de combustión tener la compacidad necesaria como para alimentar los dispositivos portátiles de los que hablábamos al principio de este artículo?

Lo cierto es que el interés por miniaturizar todo también ha alcanzado a esta área tecnológica. El término que se emplea en este caso es microcombustión, porque la longitud característica del espacio que confina el proceso es del orden de 100-1000 μm. Los avances realizados en este campo son, a juicio del autor, aún más fascinantes si cabe que los ligados al desarrollo del “energy harvesting”.

Los motores de combustión son sistemas de más que demostrada fiabilidad. Todo el mundo está familiarizado con ellos puesto que forman parte de nuestra vida cotidiana desde hace muchos años. Sin embargo, fabricar réplicas de estos motores a tan pequeña escala no es una tarea nada fácil. Para empezar la fluidodinámica se altera (aumentan las fuerzas viscosas en el fluido). Las pérdidas de calor por la superficie aumentan. La combustión ve reducido su tiempo de residencia, con lo que se vuelve más incompleta. Y encima de todo están las limitaciones geométricas (dificultad para colocar rodamientos, tallar canales de refrigeración, etc.)

Y a pesar de todas esas dificultades, son muchos los pasos que se han dado ya hacia el desarrollo de los micromotores de combustión. Un ejemplo muy representativo, aunque ni mucho menos el único, es la microturbina de gas que están desarrollando en el Instituto Tecnológico de Massachussets. El motor en cuestión, con unas dimensiones de apenas dos centímetros de lado y cuatro milímetros de altura, es capaz de proporcionar una potencia de unos 17 vatios.

Ultra micro turbina de gas desarrollada por el Instituto Tecnológico de Massachussets

Aunque sus aplicaciones son aún muy limitadas, la microcombustión está en el punto de mira de numerosas empresas del sector industrial. Sus posibles usos van mucho más allá de su instalación en dispositivos portátiles. En la industria aeronáutica, por ejemplo, se plantea como una posible fuente de generación distribuida: colocar varios micromotores en un avión o en una nave, podría dar soporte a los sistemas secundarios, o distribuir la responsabilidad del vuelo en más de un sólo motor principal.

Obviamente, aún es cuestionable que estos dispositivos puedan sustituir a las baterías tradicionales, pero desde luego sus características los acreditan como firmes candidatos. Es más, posiblemente ni siquiera sea demasiado pronto para colocarles a estos pequeños motores de bolsillo la etiqueta de “el futuro de la energía portátil”.

Publicación original