Antes de comenzar con esta discusión me gustaría corregir mi errata cometida a propósito en el titular. La frase original fue postulada por Antoine Lavoisier, conocido como el padre de la química moderna, en su famosa ley de la conservación de la materia la cual se enuncia como “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”.
En la actualidad y hablando de términos energéticos, la mayor parte de los esfuerzos para obtener energía se encuentran enfocados en la invención y control de nuevas energías verdes, y a la creación de sistemas eléctricos o mecánicos más eficientes. En el rubro de energías verdes encontramos a la energía solar, eólica, geotérmica, etc. Mientras que el término eficiencia se encuentra definido como la cantidad de trabajo realizado, ya sea generando movimiento, luz, calor o señales eléctricas, entre la energía total consumida por el sistema. Como ejemplo podemos citar a la bombilla de filamento incandescente o foco; el cual de un 100% de la energía consumida por hora, solo el 20% es convertido en luz, mientras que el otro 80% es trasformado en calor y radiación electromagnética.
Por más sorprendente que parezca, la mayoría sino es que todos los sistemas mecánicos y eléctricos fabricados por el hombre no alcanzan eficiencias de conversión energética mayores al 40%, liberando al medio ambiente más de la mitad de la energía destinada a su funcionamiento en formas de energía mecánica, calorífica o electromagnética. He aquí el por qué “La energía ni se crea ni se destruye… solo se desperdicia”. Una nueva pregunta emerge: ¿Podemos re-utilizar esa energía desperdiciada? La respuesta es un rotundo sí, dando origen a la nueva tecnología Power Harvesting, en inglés, o cosechadores de energía, al español.
LA ERA DE LA INFORMACIÓN
Sin duda alguna la característica que define la era en la que vivimos, llamada era de la información, es el gran uso de aparatos electrónicos los cuales son capaces de interactuar de forma inalámbrica intercambiando datos, voz y vídeo. Sin embargo, para llevar a cabo dicha interacción es necesario la creación de un enlace de comunicación inalámbrico, es decir sin cables, por medio de ondas electromagnéticas de radio frecuencia (RF por sus siglas en inglés). Ejemplos de ondas de RF son las señales utilizadas para transmitir televisión abierta, satelital, radio local e incluso las generadas por un horno de microondas, Figura. 1.
Figura 1. Transmisión de onda de RF entre dispositivos
En la mayoría de los escenarios de transmisión inalámbrica es necesario que el enlace de comunicación siempre se encuentre disponible, no importando si existe alguna transferencia de información en él. Por lo tanto, una gran cantidad de energía electromagnética y de RF es liberada al medio circundante sin ser utilizada. Esta problemática se observa en sistemas inalámbricos como redes de telefonía celular, WiFi y Bluetooth, y en general cualquier medio de comunicaciones que tenga acceso a la nube informática.
Una forma de reutilizar la energía no aprovechada por parte del enlace de comunicación es utilizando un sistema que recolecte o absorba la energía de RF disponible en el medio ambiente y la convierta a energía de corriente directa (DC por sus siglas en inglés), a este sistema se le llama Rectificador de RF, Figura 2. Actualmente, se han reportado eficiencias de conversión energética muy por arriba del 50% para estos sistemas. Dicha eficiencia se debe al gran avance y miniaturización en los procesos de fabricación de circuitos integrados.
En el caso de dispositivos electrónicos móviles como celulares, la energía extraída es almacenada incrementando la vida útil de su batería y por lo tanto su tiempo de operación. Por otra parte, en dispositivos fijos el uso de la energía extraída reduce su consumo eléctrico. Otro uso que se suele dar a los rectificadores de RF es el monitoreo en la calidad del enlace de comunicación comúnmente llamados Wireless Sensor Network (WSN por sus siglas en inglés).
Figura 2. Extracción de energía a partir de un enlace de RF.7
A pesar de que la energía que se extrae mediante los circuitos Rectificadores de RF es muy poca, en el orden de microwatts por enlace de comunicación, no existe ningún problema para su aplicación en la vida cotidiana. Citemos como ejemplo un centro comercial, un edificio de oficinas, una escuela, un cine, etc. En cada uno de estos lugares existe una población de personas de por lo menos cien individuos por piso, los cuales poseen un celular como mínimo dando lugar a cien enlaces de comunicación que desperdician energía cuando no son utilizados. A estos escenarios hay que sumar que por cada treinta metros existen instalados por lo menos dos sistemas de WiFi para proporcionar internet, walkie talkie’s para la comunicación entre personas de seguridad, etc. El éxito de los sistemas de recolección de energía mediante Rectificadores de RF basa su éxito en su instalación en áreas densamente pobladas, ya que por cada persona existirán uno o hasta dos enlaces de comunicación.
En la actualidad se ha demostrado que los circuitos rectificadores de RF son capaces de extraer energía suficiente para operar una pequeña pantalla LCD, activar y transmitir los datos obtenidos por sensores de temperatura, presión o glucosa; todo esto con un solo enlace de comunicación. Sin embargo, la aplicación más contundente para el uso de estos rectificadores es la tecnología de Identificación por Radio Frecuencia (RFID por sus siglas en inglés), las cuales son etiquetas electrónicas que almacenan una determinada cantidad de datos de un determinado objeto, producto, animal o persona, denominados identidad, para llevar a cabo su identificación en una estación base. Para RFID, el circuito rectificador debe de ser capaz de brindar energía a un micro computador y a un grupo de circuitos de comunicación que se encargan de enviar la información/identidad de regreso a la estación base para su lectura, Figura 3.
Figura 3.Aplicaciones de los circuitos Rectificadores de RF.
SIEMPRE EN MOVIMIENTO
Se dice que nuestra sociedad se encuentra siempre en movimiento, y en efecto, nos encontramos siempre en movimiento. Desde el simple devenir de peatones en horas pico a través de los pórticos de sus edificios laborales, hasta el inmenso tránsito vehicular en las avenidas principales, todo es movimiento y vibraciones. Para llevar a cabo la recolección de esta energía se utiliza el fenómeno piezoeléctrico el cual se basa en la deformación o incremento de dimensiones de un material determinado para la creación de energía eléctrica entre sus extremos, Figura 4. La aplicación más sencilla para recolectar energía a partir del movimiento es mediante la instalación de topes de tráfico amortiguados en avenidas transitadas los cuales al ser presionados contra el suelo deforma un material piezoeléctrico, generando una cantidad aceptable de energía.
La tecnología de recolección de energía por efecto piezoeléctrico se encuentra aún desarrollo y en fase de pruebas, por lo tanto su adquisión no es muy costeable. Sin embargo, una vez alcanzada su madurez esta será puesta en marcha para su producción en serie abaratando sus costos para su inserción en el mercado global.
Figura 4. Uso del efecto piezoeléctrico para generar energía apartir del movimiento.
Existen un sin fin de ejemplos y aplicaciones para los cosechadores de energía como el uso de tapetes piezoeléctricos en competencias y en puertas de acceso a edificios, el uso del vaivén de la olas del mar, la recolección de energía a partir de cualquier señal de RF, Figura 5. El objetivo primordial de los cosechadores de energía es recolectar, canalizar y almacenar la energía presente en el medio que nos rodea para poder ser utilizada en nuestras actividades cotidianas. Una nueva tecnología para la generación de energías verdes ha emergido: los cosechadores de energía.
Figura 5. Diferentes escenarios donde los cosechadores de energía son utilizados.
Con base a lo expuesto hasta ahora me permito concluir preguntando al lector: ¿Será necesario construir nuevas plantas generadoras, llámense hidroeléctricas o nucleares, para satisfacer el consumo energético de la sociedad? ¿Qué nos impide aprovechar al máximo la energía que ya generamos? ¿Podríamos nosotros mismos generar nuestra energía?
ºMC. Gregorio Zamora Mejia / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
ºDr. Jaime Martínez Castillo / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigación en Micro y Nanotecnología
Universidad Veracruzana