Esquema del dispositivo experimental utilizado para transferir energía entre dos circuitos. Imagen: J. Prat. Fuente: UAB.
La carga inalámbrica de los dispositivos móviles es, probablemente, uno de los hitos tecnológicos más deseados. Actualmente ya existen aparatos que permiten la carga inalámbrica situando el dispositivo móvil sobre una base de carga. El siguiente paso, cargar el móvil sin tener que sacarlo del bolsillo, aún está por alcanzar.
Un equipo de investigadores del Departamento de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona ha desarrollado un sistema capaz de transferir con mucha eficiencia la energía eléctrica entre dos circuitos separados, mediante el uso de metamateriales. Se trata de un sistema en fase experimental que, en caso de optimizarse y aplicarse a la carga de dispositivos móviles, permitiría la deseada carga inalámbrica a distancias mayores que las actuales.
Los dispositivos de carga inalámbrica aprovechan el fenómeno de la inducción para cargar los móviles mediante una carcasa especial adaptada al móvil y una base de carga enchufada a la red eléctrica. Cuando se coloca el móvil sobre la base, ésta genera un campo magnético que induce una corriente eléctrica en la carcasa, sin necesidad de utilizar ningún cable, y se carga la batería. Si el móvil se separa de la base, la energía no se transmite con suficiente eficiencia y la batería no se puede cargar.
El sistema desarrollado por los investigadores de la UAB supera esta limitación. Está formado por metamateriales que combinan capas de materiales ferromagnéticos, como los imanes, y de materiales conductores, como el cobre. Los metamateriales rodean los circuitos emisor y receptor y permiten transferir la energía entre ellos, a distancia y con una eficiencia sin precedentes.
Con el uso de las coronas de metamateriales los investigadores han conseguido incrementar la eficiencia de la transmisión hasta 35 veces en el laboratorio, "y todavía hay mucho margen de mejora, ya que la teoría nos indica que la eficiencia se puede incrementar bastante más si se optimizan las condiciones y se perfecciona el diseño del experimento", explica Àlvar Sánchez, director de la investigación, en la nota de prensa de la UAB.
"Rodear los dos circuitos con las coronas de metamateriales tiene el mismo efecto que si los acercásemos entre ellos, como si el espacio entre ellos se hubiera literalmente acortado", afirma Jordi Prat, primer firmante del artículo.
Además, los materiales necesarios para construir los metamateriales, como cobre y ferritas, son muy asequibles. Los primeros experimentos que se realizaron en esta dirección, para concentrar campos magnéticos estáticos, requerían el uso de materiales superconductores, inalcanzables para un uso cotidiano con dispositivos móviles. "En cambio, en el caso de las ondas electromagnéticas de baja frecuencia, las que utilizamos para transferir energía de un circuito a otro, sólo se necesitan conductores e imanes convencionales", explica Carles Navau.
Un equipo de investigadores del Departamento de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona ha desarrollado un sistema capaz de transferir con mucha eficiencia la energía eléctrica entre dos circuitos separados, mediante el uso de metamateriales. Se trata de un sistema en fase experimental que, en caso de optimizarse y aplicarse a la carga de dispositivos móviles, permitiría la deseada carga inalámbrica a distancias mayores que las actuales.
Los dispositivos de carga inalámbrica aprovechan el fenómeno de la inducción para cargar los móviles mediante una carcasa especial adaptada al móvil y una base de carga enchufada a la red eléctrica. Cuando se coloca el móvil sobre la base, ésta genera un campo magnético que induce una corriente eléctrica en la carcasa, sin necesidad de utilizar ningún cable, y se carga la batería. Si el móvil se separa de la base, la energía no se transmite con suficiente eficiencia y la batería no se puede cargar.
El sistema desarrollado por los investigadores de la UAB supera esta limitación. Está formado por metamateriales que combinan capas de materiales ferromagnéticos, como los imanes, y de materiales conductores, como el cobre. Los metamateriales rodean los circuitos emisor y receptor y permiten transferir la energía entre ellos, a distancia y con una eficiencia sin precedentes.
Con el uso de las coronas de metamateriales los investigadores han conseguido incrementar la eficiencia de la transmisión hasta 35 veces en el laboratorio, "y todavía hay mucho margen de mejora, ya que la teoría nos indica que la eficiencia se puede incrementar bastante más si se optimizan las condiciones y se perfecciona el diseño del experimento", explica Àlvar Sánchez, director de la investigación, en la nota de prensa de la UAB.
"Rodear los dos circuitos con las coronas de metamateriales tiene el mismo efecto que si los acercásemos entre ellos, como si el espacio entre ellos se hubiera literalmente acortado", afirma Jordi Prat, primer firmante del artículo.
Además, los materiales necesarios para construir los metamateriales, como cobre y ferritas, son muy asequibles. Los primeros experimentos que se realizaron en esta dirección, para concentrar campos magnéticos estáticos, requerían el uso de materiales superconductores, inalcanzables para un uso cotidiano con dispositivos móviles. "En cambio, en el caso de las ondas electromagnéticas de baja frecuencia, las que utilizamos para transferir energía de un circuito a otro, sólo se necesitan conductores e imanes convencionales", explica Carles Navau.
Sistema de transferencia de carga a distancia de los investigadores rusos. Imagen: Song et al. Fuente: AIP.
Patente
En la investigación, publicada esta semana en Advanced Materials, han participado los investigadores del Grupo de Electromagnetismo del Departamento de Física de la UAB Àlvar Sánchez -también investigador ICREA Academia- y Carles Navau, junto con Jordi Prat, actualmente en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias en Innsbruck (Austria).
El dispositivo ha sido patentado por la UAB y ya hay empresas de varios países interesadas en aplicar la tecnología. La investigación ha sido financiada por un proyecto Producte de la Generalitat de Catalunya, por FEDER y por el Ministerio de Economía y Competitividad.
20 centímetros
Hace tres meses, un grupo de científicos de la Universidad ITMO (San Petersburgo) y el Instituto de Investigación Giricond (ambos de Rusia) propuso un sistema de carga inalámbrica con una eficiencia de transferencia del 80% a una distancia de 20 centímetros.
Los resultados fueron probados experimentalmente con un diodo de luz, que los científicos lograron encender de forma inalámbrica, informa EurekAlert!
El sistema reemplaza las bobinas de cobre usadas tradicionalmente con resonadores dieléctricos esféricos hechos de material cerámico de alta permitividad y baja pérdida. Este paso evita las pérdidas de los metales logra una mayor eficiencia.
Otra de las novedades fue utilizar un modo de frecuencia de resonancia de orden superior llamado modo de cuadrupolo magnético. El grupo descubrió que el funcionamiento del sistema en modo de cuadrupolo, en lugar de en el modo dipolo, no sólo aumenta la eficiencia del sistema, sino que también hace que sea menos sensible a la orientación aleatoria del transmisor en relación con el receptor.
La posibilidad de una orientación aleatoria es un paso importante para lograr estaciones de carga inalámbricas comerciales más prácticas. En la actualidad, la carga inalámbrica requiere alinear perfectamente el dispositivo en la plataforma de carga. El modo de cuadrupolo no requiere tal precisión. "Esto es sólo un trabajo pionero, pero nuestra configuración experimental ya trabaja en distancias de hasta 20 centímetros y 1 vatio de potencia", añade la investigadora Polina Kapitanova.
En la investigación, publicada esta semana en Advanced Materials, han participado los investigadores del Grupo de Electromagnetismo del Departamento de Física de la UAB Àlvar Sánchez -también investigador ICREA Academia- y Carles Navau, junto con Jordi Prat, actualmente en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias en Innsbruck (Austria).
El dispositivo ha sido patentado por la UAB y ya hay empresas de varios países interesadas en aplicar la tecnología. La investigación ha sido financiada por un proyecto Producte de la Generalitat de Catalunya, por FEDER y por el Ministerio de Economía y Competitividad.
20 centímetros
Hace tres meses, un grupo de científicos de la Universidad ITMO (San Petersburgo) y el Instituto de Investigación Giricond (ambos de Rusia) propuso un sistema de carga inalámbrica con una eficiencia de transferencia del 80% a una distancia de 20 centímetros.
Los resultados fueron probados experimentalmente con un diodo de luz, que los científicos lograron encender de forma inalámbrica, informa EurekAlert!
El sistema reemplaza las bobinas de cobre usadas tradicionalmente con resonadores dieléctricos esféricos hechos de material cerámico de alta permitividad y baja pérdida. Este paso evita las pérdidas de los metales logra una mayor eficiencia.
Otra de las novedades fue utilizar un modo de frecuencia de resonancia de orden superior llamado modo de cuadrupolo magnético. El grupo descubrió que el funcionamiento del sistema en modo de cuadrupolo, en lugar de en el modo dipolo, no sólo aumenta la eficiencia del sistema, sino que también hace que sea menos sensible a la orientación aleatoria del transmisor en relación con el receptor.
La posibilidad de una orientación aleatoria es un paso importante para lograr estaciones de carga inalámbricas comerciales más prácticas. En la actualidad, la carga inalámbrica requiere alinear perfectamente el dispositivo en la plataforma de carga. El modo de cuadrupolo no requiere tal precisión. "Esto es sólo un trabajo pionero, pero nuestra configuración experimental ya trabaja en distancias de hasta 20 centímetros y 1 vatio de potencia", añade la investigadora Polina Kapitanova.
Referencias bibliográficas:
Jordi Prat-Camps, Carles Navau, Alvaro Sanchez: Quasistatic Metamaterials: Magnetic Coupling Enhancement by Effective Space Cancellation. Advanced Materials (2016). DOI: 10.1002/adma.201506376.
Mingzhao Song, Ivan Iorsh, Polina Kapitanova, Elizaveta Nenasheva, Pavel Belov: Wireless power transfer based on magnetic quadrupole coupling in dielectric resonators. Applied Physics Letters (2016). DOI: 10.1063/1.4939789.
Jordi Prat-Camps, Carles Navau, Alvaro Sanchez: Quasistatic Metamaterials: Magnetic Coupling Enhancement by Effective Space Cancellation. Advanced Materials (2016). DOI: 10.1002/adma.201506376.
Mingzhao Song, Ivan Iorsh, Polina Kapitanova, Elizaveta Nenasheva, Pavel Belov: Wireless power transfer based on magnetic quadrupole coupling in dielectric resonators. Applied Physics Letters (2016). DOI: 10.1063/1.4939789.