Los sensores y aplicaciones móviles se están volviendo comunes en nuestras vidas, y cada vez lo serán más, como en las “ciudades inteligentes“. Para cargar estos aparatos de forma ecológica se ha desarrollado un microdispositivo que extrae la energía de las vibraciones ambientales. Sus responsables, con participación española, trabajan con varias tecnologías para que llegue a los ciudadanos. Este artículo señala los aparatos que se recargan con las vibraciones ambientales, sus principales retos y cómo funcionan.
Aparatos que se recargan con las vibraciones ambientales
En cualquier lugar es normal ya encontrar todo tipo de sensores y aplicaciones móviles: de presión en los pulsímetros que llevan los corredores o dentro de los neumáticos de vehículos; de aceleración de los teléfonos móviles; de temperatura o de humedad en las casas; de dispositivos médicos miniaturizados; para detectar redes wifi; de gases en ambientes industriales; de temperatura en cocinas inteligentes; de movimiento, etc.
En la próxima década podría haber una red global con billones de sensoresEn los próximos años, esta tendencia experimentará un crecimiento enorme. La denominada «Internet de las cosas» hará que muchas de ellas se conecten a una red sin hilos para proporcionar todo tipo de información y servicios. Una de las posibles aplicaciones será el de las «ciudades inteligentes» que, entre otras cosas, harán más eficiente el consumo de energía o agua. Algunas estimaciones señalan que se ha pasado de 10 millones de sensores en el mundo en 2007 a 10.000 millones en 2013 y se espera que en la próxima década podría haber una red global con billones de sensores.
La cuestión es cómo proporcionar energía de forma sostenible a todos estos sensores y aplicaciones. Una posible solución está en aprovechar la energía liberada por las vibraciones y el movimiento en general. Es la propuesta del proyecto SINERGY, en el que participan nueve centros europeos, entre ellos el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CSIC). Gonzalo Murillo, uno de los investigadores del centro, argumenta que enchufarlos a la red eléctrica de forma permanente es algo por completo inviable desde el punto de vista económico y ecológico. «Imaginemos si ese billón de pequeños dispositivos tuviesen que alimentarse con una pila o batería y reemplazarse o recargarse periódicamente», argumenta.
El proyecto SINERGY, que cuenta con un presupuesto de casi 4,8 millones de euros, ha desarrollado un dispositivo más pequeño que el tamaño de una moneda de un céntimo (como se aprecia en la imagen). La cantidad de energía obtenida es también pequeña, pero suficiente para recargar la batería de un sensor de reducidas dimensiones. Murillo explica que el microdispositivo aprovecha vibraciones de muy pequeña intensidad, como las de maquinaria, ambientes industriales, edificios, puentes, vehículos, ventanas cercanas a ambientes ruidosos, etc. «Se trata de vibraciones que la mayoría de las veces no notamos, resultan incluso casi imperceptibles cuando ponemos la mano sobre dichos objetos», añade.
Principales retos de la energía de las vibraciones
Uno de los principales desafíos es la producción a gran escala y a bajo precio. Para ello prueban diversas tecnologías basadas en el silicio. El responsable del dispositivo apunta que el coste actual de fabricación de un dispositivo es de unos cinco euros, pero que, gracias a otras tecnologías más flexibles, se podrían fabricar por menos de dos euros. No obstante, el investigador recuerda que su importe unitario disminuye al aumentar el número de unidades fabricadas.
Además del dispositivo en sí, estos microgeneradores necesitan una circuitería de gestión de potencia y un dispositivo para recuperar y almacenar la energía recolectada. «Si además se quiere generar un nodo inalámbrico sensor completo, hay que añadir un microcontrolador y un transceiver RF, que en la actualidad elevarían el coste alrededor de los 10 euros. Similares nodos para redes sensoras alimentados a pilas suelen venderse a un precio de 20-30 euros», explica el investigador del IMB-CSIC.
Otro reto es conseguir que las baterías recargables que almacenen esa microenergía tengan una larga duración y que sus materiales y proceso sean compatibles con el silicio. Para ello se desarrollan microbaterías con capas finas para disminuir su resistencia eléctrica y con una superficie efectiva muy alta.
Cómo funciona el dispositivo
El funcionamiento del dispositivo de «energy harvesting» (recolección de energía), basado en un generador piezoeléctrico, consiste en permanecer dormidos durante mucho más tiempo que el que están despiertos (desde segundos a horas o días, dependiendo de la aplicación), recogiendo datos, procesándolos y transmitiéndolos, unas operaciones que pueden realizarse en pocos milisegundos. «La energía puede recolectarse poco a poco y usarse en un efímero impulso cuando hay suficiente acumulada», según Murillo.
Los materiales piezoeléctricos se han utilizado desde hace más de cien años para infinidad de aplicaciones como el sonar, los mecheros, los inyectores de combustible, sensores de aceleración, etc. Sin embargo, matiza el investigador del IMB-CSIC, «el caso de las vibraciones es algo más complicado porque el dispositivo ha de ser cuidadosamente diseñado para que se ajuste a su frecuencia y magnitud». En el nuevo proyecto EnSO, formado por 36 centros de investigación y empresas y con un presupuesto de casi 90 millones de euros, «intentaremos desarrollar, además, generadores inteligentes que puedan modificar su frecuencia natural de resonancia durante en funcionamiento», agrega.
Además de las vibraciones, también se puede captar energía de la diferencia de temperatura o de las ondas electromagnéticas. En este sentido, los investigadores de SINERGY trabajan en un microgenerador termoeléctrico que convierta flujos de calor en pequeñas cantidades de energía eléctrica.
