Celdas de metamateriales diseñadas por los ingenieros de Duke proporcionan energía eléctrica a partir de las radiaciones electromagnéticas en el ambiente con tanta eficiencia como los paneles solares
Utilizando materiales de bajo costo configurados y ajustados para captar señales de microondas, investigadores de la Escuela Pratt de Ingeniería de la Universidad de Duke han diseñado un dispositivo de recolección de energía con eficiencia similar a la de los paneles solares modernos.
El dispositivo convierte las señales inalámbricas de microondas a voltaje de corriente continua capaz de recargar una batería de teléfono celular u otro dispositivo electrónico pequeño, según un informe que se publicará en la revista Applied Physics Letters en diciembre de 2013. (Y que ahora está disponible en línea.)
Este conjunto de 5 celdas de metamaterial desarrolladas en la Duke University tienen una eficiencia de recolección de energía de 36,8 por ciento, comparable a una célula solar. Crédito: Duke University
El sistema funciona en base a un principio similar al de los paneles solares, que convierten la energía luminosa en energía eléctrica. Pero esta versátil cosechadora de energía puede ser sintonizada para recoger la señal de otras fuentes de energía, incluidas las señales de satélite, las señales sonoras o las señales de Wi-Fi, dicen los investigadores.
La clave para la cosechadora de energía reside en que aplica metamateriales, estructuras de ingeniería que pueden capturar diferentes formas de energía de las ondas y sintonizarlas para aplicaciones útiles.
El estudiante de pregrado de ingeniería Allen Hawkes, trabajando con el estudiante graduado Alexander Katko y el investigador principal Steven Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática, diseñaron un circuito eléctrico capaz de cosechar microondas.
Se utilizó una serie de cinco conductores de energía de cobre y fibra de vidrio conectados entre sí en una placa de circuito para convertir microondas en 7,3V de energía eléctrica. En comparación, los cargadores de bus serie universal (USB) para pequeños dispositivos electrónicos proporcionan alrededor de 5V de voltaje.
«Nosotros estábamos buscando la mayor eficiencia energética que podíamos lograr», dijo Hawkes. «Hemos estado obteniendo una eficiencia energética de alrededor del 6 al 10 por ciento, pero con este diseño hemos podido mejorar dramáticamente la conversión de energía a un 37 por ciento, que es comparable a lo que se consigue en las células solares.»
«Se puede utilizar este diseño para una gran cantidad de frecuencias y tipos de energía diferentes, como la vibración y el aprovechamiento de la energía de sonido», dijo Katko. «Hasta ahora, mucho del trabajo con metamateriales ha sido teórico. Estamos demostrando que con un poco de trabajo, estos materiales pueden ser útiles para aplicaciones de consumo.»
Por ejemplo, se podría aplicar una capa de metamaterial en el techo de una habitación para reorientar y recuperar la señal de Wi-Fi [interna] que de otra manera se perdería, dijo Katko. Otra aplicación podría ser mejorar la eficiencia energética de los aparatos recuperando la energía inalámbrica que se ha perdido durante el uso.
«Las propiedades de los metamateriales permiten una flexibilidad de diseño que no es posible con dispositivos comunes, como las antenas», dijo Katko. «Cuando las antenas tradicionales están cerca una de otro en el espacio se comunican entre sí e interfieren en el funcionamiento de cada una de ellas. El proceso de diseño utilizado para crear nuestro arreglo de metamateriales toma en cuenta estos efectos, lo que permite que las celdas trabajen juntas.»
Los investigadores dijeron que, con modificaciones adicionales, el metamaterial de recolección de energía podría ser incorporado en un teléfono celular, lo que le permitía recargarse sin cables mientras no esté en uso. Esta característica podría, en principio, permitir que las personas que viven en lugares que no tienen acceso a una toma de corriente convencional obtengan energía a partir de una torre de telefonía celular cercana al lugar.
«Nuestro trabajo demuestra un método sencillo y de bajo costo para la recolección de energía electromagnética», dijo Cummer. «La belleza del diseño es que los bloques de construcción básicos son autocontenidos y adicionables. Simplemente se puede montar más bloques para aumentar el poder que se cosecha.»
Por ejemplo, se podría montar una serie de bloques de captación de potencia para capturar la señal de un conjunto conocido de satélites que pasan por encima, explican los investigadores. La pequeña cantidad de energía generada a partir de estas señales podría alimentar una red de sensores en un lugar remoto, como la cima de una montaña o en el desierto, lo que permite la recopilación de datos en un estudio a largo plazo que toma mediciones infrecuentes.
La investigación fue apoyada por la Iniciativa de Investigación de la Universidad Multidisciplinaria de la Oficina de Investigación del Ejército de EEUU (Contrato No. W911NF-09-1-0539).
Publicación de referencia: «A microwave metamaterial with integrated power harvesting functionality», Allen M. Hawkes, Alexander R. Katko y Steven A. Cummer, Applied Physics Letters 103, 163901 (2013), doi:. 10.1063/1.4824473
Fuente: EurekAlert. Aportado por Eduardo J. Carletti
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