Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad Politécnica de Madrid han fabricado una antena flexible que captura ondas electromagnéticas del entorno, como las del sistema wifi. Luego, mediante nuevos materiales 2D, las transforman en electricidad. El desarrollo de esta tecnología permitirá alimentar multitud de aparatos electrónicos a gran escala y sin baterías.
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| La utilización de electrónica flexible basada en materiales bidimensionales permite generar electricidad a partir de señales electromagnéticas presentes en el ambiente, como las del wifi. / MIT/UPM |
Imagina un mundo donde los teléfonos móviles, los ordenadores portátiles, los relojes inteligentes y otros aparatos electrónicos funcionasen sin baterías. Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, en EE UU) y otros centros internacionales han dado un paso en esa dirección, presentado el primer dispositivo totalmente flexible que puede convertir la energía de las señales wifi en electricidad.
El avance se basa en el uso de rectenas (del inglés, rectifying antenna, antena rectificadora), unos sistemas que convierten las ondas electromagnéticas de corriente alterna –como las wifi– en continua.
En este caso los autores, que publican su trabajo en la revista Nature, usan una antena de radiofrecuencia flexible para capturar las ondas wifi. Después, su señal de corriente alterna se envía a un finísimo semiconductor de disulfuro de molibdeno (MoS2) –uno de los más delgados del mundo, con tan solo tres átomos de espesor–, que la convierte en corriente continua para que pueda alimentar los circuitos electrónicos.
De esta manera, dispositivos sin batería podrían capturar y transformar de forma pasiva las señales wifi, que cada vez inundan más lugares de nuestro entorno, en una fuente útil de alimentación. Además, presentan las ventajas de ser flexibles y poderse fabricar en rollos para cubrir áreas muy grandes.
"¿Qué pasaría si pudiéramos desarrollar sistemas electrónicos capaces de cubrir un puente, una carretera o las paredes de nuestra oficina, llevando la inteligencia electrónica a todo lo que nos rodea? ¿Cómo proporcionaríamos energía a estos aparatos electrónicos?", comenta Tomás Palacios, coautor y profesor en el departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT.
"Hemos ideado una nueva forma de alimentar los sistemas electrónicos del futuro –destaca Palacios–, mediante la captura de la energía wifi de una forma que se puede integrar fácilmente en grandes áreas para llevar esta inteligencia a cada objeto que nos rodea".
El avance se basa en el uso de rectenas (del inglés, rectifying antenna, antena rectificadora), unos sistemas que convierten las ondas electromagnéticas de corriente alterna –como las wifi– en continua.
En este caso los autores, que publican su trabajo en la revista Nature, usan una antena de radiofrecuencia flexible para capturar las ondas wifi. Después, su señal de corriente alterna se envía a un finísimo semiconductor de disulfuro de molibdeno (MoS2) –uno de los más delgados del mundo, con tan solo tres átomos de espesor–, que la convierte en corriente continua para que pueda alimentar los circuitos electrónicos.
De esta manera, dispositivos sin batería podrían capturar y transformar de forma pasiva las señales wifi, que cada vez inundan más lugares de nuestro entorno, en una fuente útil de alimentación. Además, presentan las ventajas de ser flexibles y poderse fabricar en rollos para cubrir áreas muy grandes.
"¿Qué pasaría si pudiéramos desarrollar sistemas electrónicos capaces de cubrir un puente, una carretera o las paredes de nuestra oficina, llevando la inteligencia electrónica a todo lo que nos rodea? ¿Cómo proporcionaríamos energía a estos aparatos electrónicos?", comenta Tomás Palacios, coautor y profesor en el departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT.
"Hemos ideado una nueva forma de alimentar los sistemas electrónicos del futuro –destaca Palacios–, mediante la captura de la energía wifi de una forma que se puede integrar fácilmente en grandes áreas para llevar esta inteligencia a cada objeto que nos rodea".
Móviles flexibles y píldoras inteligentes
Entre las primeras aplicaciones de la nueva rectena figura el suministro de energía a dispositivos electrónicos flexibles, aparatos portátiles y sensores para el llamado internet de las cosas. Los smartphones o teléfonos inteligentes flexibles, por ejemplo, son un nuevo mercado para las principales empresas tecnológicas.
En los experimentos realizados por el equipo, se ha comprobado que su dispositivo puede producir alrededor de 40 microvatios de potencia cuando se expone a los niveles típicos de las señales wifi (alrededor de 150 microvatios). Eso es más que suficiente para iluminar la pantalla de un móvil o un chip de silicio.
Otra posible aplicación es generar energía para la transmisión de datos en dispositivos médicos implantables, apunta Jesús Grajal, también coautor y profesor de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). De hecho, los investigadores están desarrollando píldoras que pueden ser ingeridas por los pacientes y con la capacidad de transmitir datos sobre su salud para que se pueden registrar en un ordenador y realizar diagnósticos.
"Lo ideal es no usar baterías para alimentar estos sistemas porque si pierden litio, el paciente podría morir", subraya Grajal. "Es mucho mejor recoger energía del ambiente para encender estos pequeños laboratorios dentro del cuerpo y comunicar los datos a ordenadores externos".
El ingeniero insiste en la novedad de esta investigación: "La utilización de electrónica flexible basada en materiales bidimensionales (MoS2 en este caso) para generar electricidad a partir de señales electromagnéticas presentes en el ambiente, como las del wifi y los móviles. Por tanto, esta energía es ubicua y gratuita".
Todas las rectenas se basan en un componente conocido como rectificador, el que realmente convierte la corriente alterna en continua. Para fabricarlo se suele usar silicio o arseniuro de galio, unos materiales que cubren la banda del wifi, pero con el inconveniente de su rigidez. Además, aunque no son caros cuando se destinan a pequeños dispositivos, si se usaran para cubrir grandes áreas, como las superficies de edificios y paredes, tendrían un coste prohibitivo.
Los científicos llevan tratando de solucionar estos problemas desde hace mucho tiempo. Las pocas rectenas flexibles presentadas hasta ahora operaban a bajas frecuencias y no podían capturar y convertir señales en frecuencias de gigahercios, donde se encuentran la mayoría de las señales de teléfonos celulares y wifi.
"El silicio o el arseniuro de galio consiguen mejores eficiencias porque sus dispositivos están más optimizados después de años en laboratorios académicos y en la industria –apunta Grajal–. Pero tras una optimización de los dispositivos basados en nuevos materiales bidimensionales, las diferencias se reducirán. Con estos se puede crear electrónica flexible que se adapte a cualquier superficie, mientras que los otros dos son rígidos. Por tanto, con estos semiconductores 2D se pueden realizar circuitos que se adapten a la forma de las superficie de los objetos, mejorando su despliegue".
Entre las primeras aplicaciones de la nueva rectena figura el suministro de energía a dispositivos electrónicos flexibles, aparatos portátiles y sensores para el llamado internet de las cosas. Los smartphones o teléfonos inteligentes flexibles, por ejemplo, son un nuevo mercado para las principales empresas tecnológicas.
En los experimentos realizados por el equipo, se ha comprobado que su dispositivo puede producir alrededor de 40 microvatios de potencia cuando se expone a los niveles típicos de las señales wifi (alrededor de 150 microvatios). Eso es más que suficiente para iluminar la pantalla de un móvil o un chip de silicio.
Se utiliza un finísimo semiconductor de disulfuro de molibdeno (MoS2), con tres átomos de espesor y uno de los más delgados del mundo
Otra posible aplicación es generar energía para la transmisión de datos en dispositivos médicos implantables, apunta Jesús Grajal, también coautor y profesor de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). De hecho, los investigadores están desarrollando píldoras que pueden ser ingeridas por los pacientes y con la capacidad de transmitir datos sobre su salud para que se pueden registrar en un ordenador y realizar diagnósticos.
"Lo ideal es no usar baterías para alimentar estos sistemas porque si pierden litio, el paciente podría morir", subraya Grajal. "Es mucho mejor recoger energía del ambiente para encender estos pequeños laboratorios dentro del cuerpo y comunicar los datos a ordenadores externos".
El ingeniero insiste en la novedad de esta investigación: "La utilización de electrónica flexible basada en materiales bidimensionales (MoS2 en este caso) para generar electricidad a partir de señales electromagnéticas presentes en el ambiente, como las del wifi y los móviles. Por tanto, esta energía es ubicua y gratuita".
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| Esquema de la nueva rectena. / MIT/UPM |
Todas las rectenas se basan en un componente conocido como rectificador, el que realmente convierte la corriente alterna en continua. Para fabricarlo se suele usar silicio o arseniuro de galio, unos materiales que cubren la banda del wifi, pero con el inconveniente de su rigidez. Además, aunque no son caros cuando se destinan a pequeños dispositivos, si se usaran para cubrir grandes áreas, como las superficies de edificios y paredes, tendrían un coste prohibitivo.
Los científicos llevan tratando de solucionar estos problemas desde hace mucho tiempo. Las pocas rectenas flexibles presentadas hasta ahora operaban a bajas frecuencias y no podían capturar y convertir señales en frecuencias de gigahercios, donde se encuentran la mayoría de las señales de teléfonos celulares y wifi.
"El silicio o el arseniuro de galio consiguen mejores eficiencias porque sus dispositivos están más optimizados después de años en laboratorios académicos y en la industria –apunta Grajal–. Pero tras una optimización de los dispositivos basados en nuevos materiales bidimensionales, las diferencias se reducirán. Con estos se puede crear electrónica flexible que se adapte a cualquier superficie, mientras que los otros dos son rígidos. Por tanto, con estos semiconductores 2D se pueden realizar circuitos que se adapten a la forma de las superficie de los objetos, mejorando su despliegue".
El diodo Schottky
Para construir su rectificador, los investigadores han optado por el disulfuro de molibdeno. Además de ser uno de los semiconductores más finos del mundo, se aprovecha un comportamiento singular que presenta este material: cuando se expone a ciertos químicos, sus átomos se reorganizan de forma que actúa como un interruptor, forzando una transición de fase de un semiconductor a un material metálico. Esta estructura se conoce como diodo Schottky, y viene a ser el cruce de un semiconductor con un metal.
"Al diseñar MoS2 en una unión de fase metálica-semiconductora 2-D, construimos un diodo Schottky ultrarrápido y atómico que minimiza simultáneamente dos problemas: la resistencia en serie y la capacitancia parásita", subraya el primer autor, Xu Zhang, del MIT, aunque pronto se unirá a la Universidad Carnegie Mellon.
La capacitancia parásita es una circunstancia inevitable en electrónica cuando ciertos materiales almacenan un poco de carga eléctrica, lo que ralentiza el circuito. Por tanto, una menor capacitancia significa mayores velocidades del rectificador y mayores frecuencias de operación. La capacitancia parásita del diodo Schottky desarrollado es un orden de magnitud más pequeño que los rectificadores flexibles actuales, por lo que es mucho más rápido en la conversión de señales y puede capturar y convertir hasta 10 gigahercios de señales inalámbricas.
"Este diseño ha permitido un dispositivo completamente flexible y que es lo suficientemente rápido como para cubrir la mayoría de las bandas de radiofrecuencia utilizadas por nuestros dispositivos electrónicos cotidianos, incluyendo wifi, Bluetooth, los llamados móviles LTE (long-term-evolution, una tecnología de banda ancha inalámbrica) y muchos otros", dice Zhang.
Los autores también destacan que este trabajo ofrece la base para desarrollar otros aparatos flexibles capaces de transformar la wifi en electricidad con un rendimiento y eficiencia considerables. Actualmente la eficiencia máxima de salida que alcanza este dispositivo es del 40 %, dependiendo de la potencia de entrada de la wifi, aunque con el nivel típico de potencia de la señal inalámbrica, la eficiencia energética de este rectificador de MoS2 es de alrededor del 30 %. A modo de referencia, las mejores rectenas de silicio y arseniuro de galio de hoy en día alcanzan del 50 al 60 % de eficiencia, pero son rígidas y más caras. El equipo ahora planea construir sistemas más complejos y mejorar la eficiencia de su propuesta.
Además de los autores mencionados, en este estudio participan otros 15 investigadores del MIT, la UPM, la Universidad Carlos III de Madrid, el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE UU, la Universidad de Boston y la Universidad del Sur de California. En parte, este trabajo ha sido posible gracias a una colaboración del MIT con la UPM a través de las Iniciativas Internacionales de Ciencia y Tecnología del prestigioso instituto tecnológico estadounidense.
Referencia bibliográfica:
Tomás Palacios et al. “Two-dimensional MoS2-enabled Flexible Rectenna for Wi-Fi Band Wireless Energy Harvesting”. Nature, 28 de enero de 2019.
Para construir su rectificador, los investigadores han optado por el disulfuro de molibdeno. Además de ser uno de los semiconductores más finos del mundo, se aprovecha un comportamiento singular que presenta este material: cuando se expone a ciertos químicos, sus átomos se reorganizan de forma que actúa como un interruptor, forzando una transición de fase de un semiconductor a un material metálico. Esta estructura se conoce como diodo Schottky, y viene a ser el cruce de un semiconductor con un metal.
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| El disulfuro de molibdeno es uno de los semiconductores más delgados del mundo, con tan solo tres átomos de espesor. / Wang et al. |
"Al diseñar MoS2 en una unión de fase metálica-semiconductora 2-D, construimos un diodo Schottky ultrarrápido y atómico que minimiza simultáneamente dos problemas: la resistencia en serie y la capacitancia parásita", subraya el primer autor, Xu Zhang, del MIT, aunque pronto se unirá a la Universidad Carnegie Mellon.
La capacitancia parásita es una circunstancia inevitable en electrónica cuando ciertos materiales almacenan un poco de carga eléctrica, lo que ralentiza el circuito. Por tanto, una menor capacitancia significa mayores velocidades del rectificador y mayores frecuencias de operación. La capacitancia parásita del diodo Schottky desarrollado es un orden de magnitud más pequeño que los rectificadores flexibles actuales, por lo que es mucho más rápido en la conversión de señales y puede capturar y convertir hasta 10 gigahercios de señales inalámbricas.
Este avance es fruto de la colaboración del MIT con la Universidad Politécnica de Madrid, entre otras instituciones
"Este diseño ha permitido un dispositivo completamente flexible y que es lo suficientemente rápido como para cubrir la mayoría de las bandas de radiofrecuencia utilizadas por nuestros dispositivos electrónicos cotidianos, incluyendo wifi, Bluetooth, los llamados móviles LTE (long-term-evolution, una tecnología de banda ancha inalámbrica) y muchos otros", dice Zhang.
Los autores también destacan que este trabajo ofrece la base para desarrollar otros aparatos flexibles capaces de transformar la wifi en electricidad con un rendimiento y eficiencia considerables. Actualmente la eficiencia máxima de salida que alcanza este dispositivo es del 40 %, dependiendo de la potencia de entrada de la wifi, aunque con el nivel típico de potencia de la señal inalámbrica, la eficiencia energética de este rectificador de MoS2 es de alrededor del 30 %. A modo de referencia, las mejores rectenas de silicio y arseniuro de galio de hoy en día alcanzan del 50 al 60 % de eficiencia, pero son rígidas y más caras. El equipo ahora planea construir sistemas más complejos y mejorar la eficiencia de su propuesta.
Además de los autores mencionados, en este estudio participan otros 15 investigadores del MIT, la UPM, la Universidad Carlos III de Madrid, el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE UU, la Universidad de Boston y la Universidad del Sur de California. En parte, este trabajo ha sido posible gracias a una colaboración del MIT con la UPM a través de las Iniciativas Internacionales de Ciencia y Tecnología del prestigioso instituto tecnológico estadounidense.
Referencia bibliográfica:
Tomás Palacios et al. “Two-dimensional MoS2-enabled Flexible Rectenna for Wi-Fi Band Wireless Energy Harvesting”. Nature, 28 de enero de 2019.
Fuente: MIT
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