20 sep 2020

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Vibraciones energéticas

Nuevos dispositivos generan energía de las oscilaciones de maquinas y edificios

La tecnología permite sembrar el entorno de sensores sin cables ni baterías

Michele Catanzaro

Gonzalo Murillo, en su laboratorio del IMB-CSIC, con uno de los dispositivos que ha desarrollado. / NURIA PUENTES

Gonzalo Murillo, en su laboratorio del IMB-CSIC, con uno de los dispositivos que ha desarrollado.
Gustau Catalán, del ICN2, muestra una prueba de concepto de sus investigaciones.

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Las tuberías de la energía están llenas de agujeros. La gasolina de los coches se consume en inútiles vibraciones del chasis. La electricidad que alimenta los ordenadores se pierde con el calentamiento de las máquinas. Las baterías de los móviles se desperdician en radiaciones electromagnéticas espurias...

En la última década, los científicos se han esforzado por tapar estos agujeros. Esta 'cosecha' de energía pretende aprovechar cada migaja disponible para alimentar pequeños aparatos. Por ejemplo, medidores de velocidad que se autoalimenten con las vibraciones de los coches. O dispositivos médicos implantados que no necesiten cambios de batería. O redes de sensores distribuidos en un avión sin necesidad de cableado.

La semana pasada se dio a conocer un avance hacia este escenario. El Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CSIC) anunció que está a punto de patentar un dispositivo más pequeño que una moneda de un céntimo que convierte vibraciones como las de un coche, o incluso menores, en potencias de decenas de microvatios, suficientes para alimentar un reloj digital, por ejemplo.

MATERIAL PIEZOELÉCTRICO

El dispositivo se basa en un material piezoeléctrico. Es decir, una sustancia con una particular estructura cristalina que "convierte una deformación mecánica en voltaje o, por el contrario, modifica su forma cuando se les aplica un voltaje", explica Gonzalo Murillo, investigador del IMB-CSIC y responsable de la invención. Estos materiales se usan en mecheros, máquinas de ecografía, dispositivos de resonancia magnética, altavoces, etcétera. "Pero solo recientemente la tecnología electrónica ha avanzado lo suficiente para aprovecharlo en la recolección de energía", observa Diego Ochoa, investigador en piezoeléctricos de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) no implicado en el trabajo de Murillo.

"Esta recolección no es la panacea para extraer energía a larga escala, sino que la idea es aprovechar la energía residual para aplicaciones de baja potencia", explica Murillo. Sin embargo, la posibilidad de sembrar el entorno de sensores que se puedan “instalar y olvidar" podría aplicarse al internet de las cosas o a las ciudades inteligentes.

La novedad de su dispositivo respecto a otros prototipos es el uso de estructuras nanoscópicas, y la integración en un mismo chip de toda la circuitería, incluyendo una batería. Ahora, Murillo pretende valorar su robustez y los costes de producirlo a gran escala. Hay piezoeléctricos más eficientes que el suyo, pero contienen plomo, un material tóxico que la Unión Europea está en camino de arrinconar.

Otro enfoque a la recolección de energía podría superar este obstáculo. “La flexoelectricidad, a diferencia de la piezoelectricidad, se da en todos los materiales”, explica Gustau Catalán, investigador ICREA del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), que dio a conocer a finales del año pasado un prototipo basado en esta idea. Cualquier material, cuando se dobla, produce un voltaje. Este efecto es imperceptible y muy menor a la piezoelectricidad, pero se hace comparable si lo que se dobla es un material nanoscópico (centenares de veces más sutil que un cabello). “Por ejemplo, en nuestro oído hay unos pelos que, en ciertas frecuencias auditivas, generan una señal eléctrica gracias a la flexoelectricidad”, explica Catalán.

El dispositivo de Catalán es una prueba de concepto: unas palancas nanométricas que se doblan por efecto flexoeléctrico. Sin embargo, ya existe al menos una aplicación real de la idea: unos sensores de aceleración desarrollados por la Penn State University y usados probablemente por los militares de EEUU. Catalán se plantea combinar estructuras nanométricas para construir dispositivos más grandes y fabricarlos con tecnologías familiares para la industria microelectrónica.

“Ni la flexoelectricidad ni la piezoelectricidad solucionarán el problema energético del mundo. No sirven para alimentar una casa o un coche, pero podrían ser muy útiles para aplicaciones biomédicas o sensores en carreteras, conducciones de agua o de petróleo”, concluye Catalán.

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