Una bota con el dispositivo integrado, junto a otro dispositivo. Fuente: Universidad de Wisconsin-Madison.
Una innovadora tecnología de captura y almacenamiento de energía en los zapatos desarrollada por ingenieros mecánicos de la Universidad de Wisconsin-Madison (EE.UU.) podría reducir nuestra dependencia de las baterías en los dispositivos móviles, garantizando la capacidad para cargar para nuestros dispositivos sin importar donde estamos.
En un artículo publicado en la revista Scientific Reports, el profesor Tom Krupenkin y el científico J. Ashley Taylor describen una tecnología de recolección de energía que está particularmente bien adaptada para la captura de la energía del movimiento humano, y utilizarla para cargar dispositivos electrónicos móviles.
La tecnología podría permitir que un colector de energía integrado en el calzado capturara la energía producida por los humanos al caminar y la almacenara para su uso posterior.
Los zapatos generadores de energía, explica la información de la universidad, podrían ser especialmente útiles para los militares, dado que los soldados cargan pesadas baterías para alimentar sus radios, unidades de GPS y gafas de visión nocturna. El avance podría proporcionar una fuente de energía para las personas en zonas remotas y en los países en desarrollo que carecen de las redes eléctricas adecuadas.
"El caminar humano lleva una gran cantidad de energía," dice Krupenkin. "Los cálculos teóricos muestran que se pueden producir hasta 10 vatios por zapato, y que la energía simplemente se desperdicia en forma de calor. Un total de 20 vatios no es una cosa pequeña, especialmente en comparación con las necesidades de alimentación de la mayoría de los dispositivos móviles modernos".
Krupenkin dice que aprovechar sólo una pequeña cantidad de esa energía es suficiente para abastecer a una amplia gama de dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes, tabletas, ordenadores portátiles y linternas. Por ejemplo, un teléfono inteligente típico requiere menos de dos vatios.
Sin embargo, los enfoques tradicionales al aprovechamiento de la energía y su conversión no funcionan bien para los desplazamientos relativamente pequeños y grandes fuerzas de pisadas, según los investigadores.
"Así que hemos estado desarrollando nuevos métodos para convertir directamente el movimiento mecánico en energía eléctrica, que son apropiados para este tipo de aplicación", dice Krupenkin.
Nueva tecnología
La nueva tecnología de captación de energía de los investigadores se aprovecha de la "electrohumectación inversa", un fenómeno en el que Krupenkin y Taylor fueron pioneros en 2011. Con este enfoque, a medida que un líquido conductor interactúa con una superficie revestida de una nanopelícula, la energía mecánica se convierte directamente en energía eléctrica.
El método de la electrohumectación inversa puede generar energía utilizable, pero requiere una fuente de energía con una frecuencia razonablemente alta, tal como una fuente mecánica que está vibrando o girando rápidamente.
"Sin embargo, nuestro entorno está lleno de fuentes de energía mecánicas de baja frecuencia, tales como el movimiento humano y de máquinas, y nuestro objetivo es ser capaces de extraer energía de este tipo de fuentes", dice Krupenkin. "Así que revertir la electrohumectación por sí sola no resuelve el problema."
En un artículo publicado en la revista Scientific Reports, el profesor Tom Krupenkin y el científico J. Ashley Taylor describen una tecnología de recolección de energía que está particularmente bien adaptada para la captura de la energía del movimiento humano, y utilizarla para cargar dispositivos electrónicos móviles.
La tecnología podría permitir que un colector de energía integrado en el calzado capturara la energía producida por los humanos al caminar y la almacenara para su uso posterior.
Los zapatos generadores de energía, explica la información de la universidad, podrían ser especialmente útiles para los militares, dado que los soldados cargan pesadas baterías para alimentar sus radios, unidades de GPS y gafas de visión nocturna. El avance podría proporcionar una fuente de energía para las personas en zonas remotas y en los países en desarrollo que carecen de las redes eléctricas adecuadas.
"El caminar humano lleva una gran cantidad de energía," dice Krupenkin. "Los cálculos teóricos muestran que se pueden producir hasta 10 vatios por zapato, y que la energía simplemente se desperdicia en forma de calor. Un total de 20 vatios no es una cosa pequeña, especialmente en comparación con las necesidades de alimentación de la mayoría de los dispositivos móviles modernos".
Krupenkin dice que aprovechar sólo una pequeña cantidad de esa energía es suficiente para abastecer a una amplia gama de dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes, tabletas, ordenadores portátiles y linternas. Por ejemplo, un teléfono inteligente típico requiere menos de dos vatios.
Sin embargo, los enfoques tradicionales al aprovechamiento de la energía y su conversión no funcionan bien para los desplazamientos relativamente pequeños y grandes fuerzas de pisadas, según los investigadores.
"Así que hemos estado desarrollando nuevos métodos para convertir directamente el movimiento mecánico en energía eléctrica, que son apropiados para este tipo de aplicación", dice Krupenkin.
Nueva tecnología
La nueva tecnología de captación de energía de los investigadores se aprovecha de la "electrohumectación inversa", un fenómeno en el que Krupenkin y Taylor fueron pioneros en 2011. Con este enfoque, a medida que un líquido conductor interactúa con una superficie revestida de una nanopelícula, la energía mecánica se convierte directamente en energía eléctrica.
El método de la electrohumectación inversa puede generar energía utilizable, pero requiere una fuente de energía con una frecuencia razonablemente alta, tal como una fuente mecánica que está vibrando o girando rápidamente.
"Sin embargo, nuestro entorno está lleno de fuentes de energía mecánicas de baja frecuencia, tales como el movimiento humano y de máquinas, y nuestro objetivo es ser capaces de extraer energía de este tipo de fuentes", dice Krupenkin. "Así que revertir la electrohumectación por sí sola no resuelve el problema."
'Burbujeo'
Para superar esto, los investigadores desarrollaron lo que ellos llaman el método del "burbujeo", que se describe en su estudio. El método del burbujeo combina la electrohumectación inversa con el crecimiento de una burbuja y su colapso.
El dispositivo de burbujeo de los investigadores -que no contiene partes mecánicas móviles- consiste en dos placas planas separadas por un pequeño hueco lleno de un líquido conductor. La placa inferior está cubierta con diminutos agujeros a través de los cuales el gas a presión forma burbujas. Éstas crecen hasta que son lo suficientemente grandes como para tocar la placa superior, lo que hace que colapsen.
El veloz y repetitivo crecimiento y colapso de las burbujas empuja y tira del fluido conductor, generando la carga eléctrica. "La alta frecuencia que se necesita para la conversión eficiente de la energía no viene de su fuente de energía mecánica, sino que es una propiedad interna de este enfoque de burbujeo", dice Krupenkin.
Los investigadores dicen que su método de burbujeo podría generar densidades de potencia altas -un montón de vatios en relación con el área de la superficie del generador-, y podría usarse con dispositivos de captación de energía más pequeños y ligeros, que se pueden acoplar a una amplia gama de fuentes de energía.
La prueba de concepto del dispositivo de burbujeo genera alrededor de 10 vatios por metro cuadrado en los experimentos preliminares, y las estimaciones teóricas muestran que podría alcanzar hasta 10 kilovatios por metro cuadrado, según Krupenkin.
"El burbujeo es realmente eficaz en la producción de altas densidades de potencia", dice. "Para este tipo de recolección de energía mecánica, el burbujeador promete lograr, con mucho, la más alta densidad de potencia nunca demostrada."
Krupenkin y Taylor están tratando de asociarse con la industria y comercializar un colector de energía integrado en el calzado a través de su start-up InStep Nanopower.
Su aparato podría alimentar directamente los diferentes dispositivos móviles a través de un cable de carga, o podría ser integrado en una amplia gama de dispositivos electrónicos incorporados al propio zapato, como un punto de acceso Wi-Fi que actuaría como "intermediario" entre los dispositivos móviles y una red inalámbrica.
Eso ahorraría mucha batería del smartphone, para el que "sólo el coste de la energía de transmisión de radio-frecuencia de ida y vuelta entre el teléfono y la torre es una enorme contribución a la fuga total de la batería", dice Krupenkin.
Para superar esto, los investigadores desarrollaron lo que ellos llaman el método del "burbujeo", que se describe en su estudio. El método del burbujeo combina la electrohumectación inversa con el crecimiento de una burbuja y su colapso.
El dispositivo de burbujeo de los investigadores -que no contiene partes mecánicas móviles- consiste en dos placas planas separadas por un pequeño hueco lleno de un líquido conductor. La placa inferior está cubierta con diminutos agujeros a través de los cuales el gas a presión forma burbujas. Éstas crecen hasta que son lo suficientemente grandes como para tocar la placa superior, lo que hace que colapsen.
El veloz y repetitivo crecimiento y colapso de las burbujas empuja y tira del fluido conductor, generando la carga eléctrica. "La alta frecuencia que se necesita para la conversión eficiente de la energía no viene de su fuente de energía mecánica, sino que es una propiedad interna de este enfoque de burbujeo", dice Krupenkin.
Los investigadores dicen que su método de burbujeo podría generar densidades de potencia altas -un montón de vatios en relación con el área de la superficie del generador-, y podría usarse con dispositivos de captación de energía más pequeños y ligeros, que se pueden acoplar a una amplia gama de fuentes de energía.
La prueba de concepto del dispositivo de burbujeo genera alrededor de 10 vatios por metro cuadrado en los experimentos preliminares, y las estimaciones teóricas muestran que podría alcanzar hasta 10 kilovatios por metro cuadrado, según Krupenkin.
"El burbujeo es realmente eficaz en la producción de altas densidades de potencia", dice. "Para este tipo de recolección de energía mecánica, el burbujeador promete lograr, con mucho, la más alta densidad de potencia nunca demostrada."
Krupenkin y Taylor están tratando de asociarse con la industria y comercializar un colector de energía integrado en el calzado a través de su start-up InStep Nanopower.
Su aparato podría alimentar directamente los diferentes dispositivos móviles a través de un cable de carga, o podría ser integrado en una amplia gama de dispositivos electrónicos incorporados al propio zapato, como un punto de acceso Wi-Fi que actuaría como "intermediario" entre los dispositivos móviles y una red inalámbrica.
Eso ahorraría mucha batería del smartphone, para el que "sólo el coste de la energía de transmisión de radio-frecuencia de ida y vuelta entre el teléfono y la torre es una enorme contribución a la fuga total de la batería", dice Krupenkin.
Referencia bibliográfica:
Tsung-Hsing Hsu, Supone Manakasettharn, J. Ashley Taylor, Tom Krupenkin. Bubbler: A Novel Ultra-High Power Density Energy Harvesting Method Based on Reverse Electrowetting. Scientific Reports (2015). DOI: 10.1038/srep16537
Tsung-Hsing Hsu, Supone Manakasettharn, J. Ashley Taylor, Tom Krupenkin. Bubbler: A Novel Ultra-High Power Density Energy Harvesting Method Based on Reverse Electrowetting. Scientific Reports (2015). DOI: 10.1038/srep16537