Dentro de un laboratorio en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), Sangtae Kim ha estado retocando con un dispositivo delgado de papel del tamaño de un sello. Kim está interesada en cosechar energía de los humanos (aunque no del tipo que convierte a las personas en baterías en la película, The Matrix). Quiere aprovechar los movimientos, como caminar y correr, para alimentar sensores y dispositivos portátiles.
«Proporciona una nueva forma de cosechar energía humana», dice Kim sobre su prototipo de dispositivo, que describió recientemente en un artículo escrito en colaboración con su asesor, el profesor Ju Li y otros investigadores.
«Es posible cosechar cualquier movimiento, pero no querrás ropa llena de cosechadoras. Me enfocaría en las suelas de los zapatos, ahí es donde se encuentra la mayor cantidad de energía», dice Kim.
La idea de usar el movimiento para generar electricidad no es nueva, aunque está lejos de ser algo común. Hay bicicletas estáticas estacionarias con motores para convertir los entrenamientos sudorosos en energía en el gimnasio. Pero las cosechadoras de energía portátiles que utilizan movimiento humano no han llegado al mercado, en parte porque aún no han generado suficiente energía, dice Harry Zervos, analista de la firma de investigación de mercado IDTechEx.
El concepto de energía humana es prometedor. El uso de energía que de otro modo se desperdiciaría es atractivo en un momento en que los planes para luchar contra el cambio climático incluyen el uso de menos energía o energía con menos emisiones de carbono.
Kim se dirige a un mercado de electrónica de consumo en crecimiento. Según IDC, una empresa de investigación de mercado, se estima que los envíos de productos electrónicos portátiles en todo el mundo aumentarán de los 111 millones de dispositivos previstos en 2016 a los 214,6 millones en 2019. IDTechEx espera que las ventas anuales de wearables pasen de $20 mil millones en 2015 a casi 7 70 mil millones en 2025.
La búsqueda de baterías más pequeñas y potentes
Los wearables recopilan y comunican datos de forma inalámbrica, como los teléfonos móviles, y prolongar la vida útil de la batería es uno de los grandes desafíos técnicos para los diseñadores. Y al igual que los teléfonos móviles, están en camino de volverse más delgados y sofisticados. Los diseñadores de dispositivos portátiles, como Apple Watch, Google Glass y pulseras de fitness y salud, están buscando tecnología que pueda mantener esos dispositivos funcionando durante más tiempo entre la carga. Esto significa baterías que pueden almacenar más energía en un espacio más pequeño o dispositivos que de otro modo podrían proporcionar un aumento de energía sin necesidad de enchufarlos a la pared.
Las baterías de iones de litio, que también alimentan la mayoría de los productos electrónicos de consumo, como las computadoras portátiles, son la fuente de alimentación de referencia para los wearables. Pero su rendimiento disminuye cuando tienen que reducirse para adaptarse a espacios más ajustados, según Christine Ho, CEO de Imprint Energy, un desarrollador de baterías en California.
«Es un enigma para los diseñadores de productos, que están empezando a darse cuenta de que necesitan pensar de manera más creativa», dice Ho. «Las baterías nuevas tienen la oportunidad de satisfacer la demanda.»
Los fabricantes de gadgets, como Samsung, están experimentando con baterías más delgadas y flexibles para que puedan caber más fácilmente en los wearables que se envuelven alrededor del dedo, la muñeca y el tobillo. Imprint Energy está desarrollando baterías de zinc ultradelgadas y flexibles, que pueden almacenar más energía en un volumen dado que el litio y son seguras y no tóxicas, dice Ho.
Pero esas tecnologías emergentes de baterías tienden a ser caras y difíciles de producir en masa. Se espera que las ventas de baterías ultradelgadas y flexibles para dispositivos portátiles alcancen los 3 300 millones para 2020, dice Tony Sun, analista de la firma de investigación de mercado Lux Research. Las ventas podrían saltar a la friolera de 4 4 mil millones para entonces, predice, pero solo si esas baterías pueden bajar de precio a los niveles de las baterías de iones de litio. Esto requeriría inversiones significativas para avances técnicos, agrega Sun.
Recolección de energía
La idea de aprovechar los movimientos humanos le llegó a Kim una noche en diciembre de 2013, cuando recibió un correo electrónico de Li, que acababa de asistir a una reunión de investigadores de ciencia de materiales donde las conversaciones sobre baterías de iones de litio incluían una discusión sobre el estrés en la batería. La aplicación de tensión en una batería de litio altera el voltaje y reduce la capacidad de la batería. Pero, ¿y si pudieras sacar ventaja de este estrés?
«Fue un correo electrónico de dos frases que me despertó completamente», recuerda Kim. «Entonces empecé a diseñar este dispositivo. Me tomó un año construirlo y otro año entender completamente lo que estaba haciendo. Queríamos asegurarnos de que no fuera un efecto secundario.»
Lo que se le ocurrió a Kim es un dispositivo que tiene una estructura similar a la de una batería: dos electrodos conductores separados por un electrolito líquido. A diferencia de una batería, la cosechadora de energía utiliza el mismo compuesto, una mezcla de litio y silicio, para ambos electrodos. Esto crea un efecto de volea cuando se aplica estrés físico.
La presión fuerza a un electrodo a escupir iones de litio y en el proceso altera un equilibrio que hace que el otro electrodo se abra y acepte el litio rechazado. El electrolito los obliga a separarse en iones de litio y electrones. Los electrones viajan a través de un circuito y son capturados como electricidad. Los electrones luego se encuentran con iones de litio en el otro extremo y se mueven hacia el electrodo.
La flexión del dispositivo elimina el estrés y hace que los electrones y los iones de litio viajen en la otra dirección. Esa inversión crea otro flujo de corriente eléctrica antes de que los dos regresen al electrodo original.
El prototipo de Kim aún no genera suficiente electricidad para los wearables. Dice que necesita aumentar su eficiencia – el porcentaje de energía mecánica que se convierte en electricidad-de 0.del 6% al 6%, para que sea lo suficientemente potente como para dispositivos como pulseras.
Aumentar la producción de energía y la vida útil de una cosechadora de energía será crucial para popularizar su uso, dice Kevin Lloyd, cofundador y jefe de tecnología de Whistle Labs, con sede en California, que ha desarrollado un collar para mascotas basado en GPS para rastrear la ubicación, la salud y otras actividades de su amigo peludo.
«Cuando analizamos la construcción de dispositivos portátiles, equilibramos la ciencia, la duración de la batería y el costo», dice Lloyd. «No querrás tener que quitarte el collar de tu mascota para cargarlo todos los días. Cuando estás de vacaciones por una o dos semanas, quieres que dure todo ese tiempo.»
Otro obstáculo para que la cosechadora de energía funcione: los movimientos de nuestro cuerpo no son predecibles ni consistentes, lo que dificulta generar una cantidad confiable de energía en un momento dado, dice Ho.
Abordar el desafío de diseñar su investigación sobre un dispositivo portátil será importante, reconoce Kim, y agrega que ya ha escuchado a algunas empresas, incluidos fabricantes de relojes inteligentes y dispositivos médicos, que están interesadas en incorporar el proceso de recolección de energía.
«Pero primero tenemos que hacer que esta tecnología sea más madura, antes de pensar en comercializarla», dice.
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