Francis en #rosavientos: Generador de electricidad a partir del movimiento

Dibujo20140308 Demonstrations of the triboelectric generator for harvesting ambient energy - nature commun

Ya puedes escuchar el audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre una transcripción del audio, algunos enlaces e imágenes.

¿Se podría convertir el movimiento humano en una fuente de electricidad? En los últimos años se han publicado varias propuestas para transformar energía mecánica en energía eléctrica. La última ha sido noticia esta semana. Un nuevo dispositivo publicado en la revista Nature Communications por científicos chinos y estadounidenses que transforma energía mecánica en energía eléctrica gracias a la fricción. El nuevo dispositivo es de bajo coste y escalable en tamaño, pudiendo variar desde pocos milímetros hasta varios metros. Por ello promete múltiples aplicaciones prácticas.

El nuevo generador triboeléctrico permite convertir todos los movimientos de una persona en electricidad. Se puede colocar en los zapatos o en la chaqueta para aprovechar el movimiento al caminar. Incluso en una versión de pequeño tamaño se podría colocar en los dedos para aprovechar el movimiento al teclear o en la muñeca para aprovechar los latidos del corazón. Además, se puede aprovechar cualquier tipo de movimiento, por ejemplo, se puede puede colocar en un altavoz para aprovechar las ondas sonoras.

En una versión de gran tamaño se puede colocar en una carretera para producir electricidad por el paso de los vehículos. O se puede usar para obtener energía maremotriz de las olas del mar, energía eólica a partir del viento, o incluso aprovechar la energía de la lluvia al golpear el suelo. El nuevo dispositivo es un generador triboeléctrico rotatorio que aprovecha la triboelectricidad para producir energía eléctrica a partir del movimiento.

El artículo técnico es Guang Zhu, Jun Chen, Tiejun Zhang, Qingshen Jing, Zhong Lin Wang, “Radial-arrayed rotary electrification for high performance triboelectric generator,” Nature Communications 5: 3426, 04 Mar 2014. Más información en español en “Un nuevo generador convierte el movimiento humano en electricida,” Agencia SINC, 04 Mar 2014. También recomiendo la entrevista de Luis Quevedo al investigador principal en “Generador convierte el movimiento humano y ambiental en electricidad,” CST, NTN24, 07 Mar 2014.

Dibujo20140308 Radial-arrayed rotary electrification for high performance triboelectric generator - ncomms4426-f1

¿Qué es la triboelectricidad? La triboelectricidad es la electrificación por frotamiento. El efecto triboeléctrico hace que un material se cargue eléctricamente a partir de otro material cuando se ponen en contacto y se produce una fricción o un rozamiento entre ambos materiales.

Como mera curiosidad me gustaría recordar que la palabra electricidad tiene su origen en este fenómeno. Los griegos ya habían observado los fenómenos triboeléctricos: Al frotar una barra de ámbar con un trapo de tela vieron que el ámbar atraía a pequeños objetos ligeros. Ya en el siglo XVI, el físico y médico británico William Gilbert estudió este fenómeno y acuñó la palabra “eléctrico” a partir de la palabra griega para “ámbar”.

Hoy sabemos que la electricidad es resultado del movimiento de los electrones a través de un material conductor. El nombre electrón también proviene de la palabra ámbar. La carga electrostática fue la primera observación de la electricidad.

Dibujo20140308 Demonstrations of the integrated power-supplying system for driving and charging electronics - ncomms4426-f5

La carga electrostática está relacionada con las descargas que sufrimos al salir de un coche o al tocar el pomo de una puerta en un hotel. ¿Por qué se producen? Al caminar con zapatos de suela de goma sobre una moqueta en un hotel, o al rozar nuestra ropa con la tapicería del asiento de un coche, nuestro cuerpo acumula carga eléctrica. Al tocar un conductor metálico (como la puerta de un coche o el pomo de una puerta) provoca la aparición de una chispa y nos provoca un “calambrazo”. Para la mayoría de las personas esta sensación desagradable es una leve molestia, pero hay personas a las que les causa bastante dolor, y en ciertas fábricas e industrias hay que evitar estas chispas porque pueden ser muy peligrosas si alcanzan materiales inflamables.

La triboelectricidad es fácil de ilustrar a los niños utilizando un globo inflable. Se frota el globo contra la ropa y luego al acercar el globo a la cabeza se observa que los cabellos se erizan. Los generadores triboeléctricos funcionan con el mismo principio físico de transferencia de carga.

Dibujo20140308 Schematics of operating principle of the triboelectric generator - ncomms4426-f2

Volviendo a la noticia, ¿cómo funciona el nuevo generador de electricidad a partir de movimiento? El dispositivo desarrollado por Zhong Lin Wang, del Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Pekín (China), y sus colegas se basa en dos discos giratorios en contacto mutuo, con un eje de rotación común y con una distribución radial de electrodos de oro. Estas superficies están recubiertas de un polímero, un material similar al plástico, y tienen una afinidad eléctrica diferente; cuando una de ellas rota respecto a la otra se transfiere carga eléctrica de la primera a la segunda que se convierte en energía útil que se recoge gracias a los electrodos de oro.

Según el artículo publicado en la revista Nature Communications el dispositivo alcanza una eficiencia del 24 %, aunque el investigador principal ha afirmado que ya tienen una nueva versión que alcanza cerca del 50%, una eficiencia muy superior a los dispositivos actuales basados en dinamos. Como el nuevo dispositivo utiliza materiales plásticos es mucho más ligeros que las dinamos convencionales, pero tiene una densidad de energía entre 40 y 50 veces más grande. Además, según los autores es un dispositivo escalable; los dos discos se pueden construir con un tamaño desde unos milímetros a varios metros.

Dibujo20140308 Demonstrations power-supplying system - ncomms4426-f6

Todo parecen ventajas. ¿Qué inconveniente tienen estos nuevos generadores de electricidad por movimiento? Ahora mismo el mayor inconveniente es la durabilidad. Como se genera electricidad por rozamiento entre dos superficies se produce un desgaste de estas superficies mucho mayor que el que se produce en las dinamos convencionales. En los experimentos mostrado en el artículo técnico el dispositivo funciona muy bien en ciclos cortos de 10 minutos, pero el comportamiento tras millones de ciclos todavía no ha sido estudiado. Habrá que desarrollar nuevos materiales plásticos que minimicen el desgaste sin afectar mucho al rendimiento energético para que este dispositivo alcance el mercado de consumo.

¿Cuándo crees que todos llevaremos un dispositivo de este tipo encima y para qué lo usaremos? Según los autores del estudio, este tipo de generadores de triboelectricidad podrían estar en el mercado en unos cinco años (aunque quizás pequen de optimistas). Sus aplicaciones más importantes son la ropa inteligente, la internet de las cosas y la electrónica portátil. Dentro de unos años, además del teléfono móvil, llevaremos encima gran número de sensores que medirán nuestras constantes vitales y le transmitirán dicha información al médico. Todos estos dispositivos móviles necesitarán electricidad y los generadores triboeléctricos colocados en nuestros zapatos o en nuestra ropa seguramente serán la solución más fácil para alimentar de electricidad a todos esos dispositivos. Una persona al andar con el nuevo dispositivo puede generar hasta 67 W al día y si se tiene en cuenta el movimiento de todo el cuerpo se podrían alcanzar hasta los 100 W de potencia eléctrica. Esta energía es más que suficiente para alimentar durante todo el día todos los dispositivos móviles que llevamos encima ahora mismo y que llevaremos encima en los próximos años.

5 Comentarios

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DavidDavid

Este sistema me parece una buena idea, pero no debemos olvidar que la energía ni se crea ni se destruye. Toda esta ganancia en energía eléctrica provendrá de la energía que la persona obtenga comiendo. No parece que a nivel energético vaya a ser eficiente, a pesar de ese rendimiento de 0.5 que prometen, porque porque por ejemplo un alternador eléctrico para obtención de energía eólica alcanza rendimientos mucho mejores. A pesar de todo, es interesante la autonomía que puede otorgar a diversos cachivaches futuros como bien comentas.

cristobalcristobal

en principio según entiendo, parece que iriamos todo el rato provocando ese movimiento de cargas y que con este invento aprovechariamos de que en lugar de volver al sitio cediendo la energía por ahi, el aprovecharla. otra cosa es que tuvieramos que andar al menos un plato de callos para cargar el móvil, pero gastariamos la misma energia haciendo lo mismo segun entiendo…

cristobalcristobal

hmmm que interesante sería que el efecto electrostático pudiera ser aprovechado de este modo. viendo un poco mas de qué iba la cosa he visto que un sevillano ha hecho algo parecido que parece que pone del 88 (http://patentados.com/invento/genera...dadura.html), ademas al mirar efecto triboeléctrico en wikipedia, resulta que es algo a lo que se lleva dando vueltas tiempo ya, asi que supongo que la clave de estos cientificos es como han aprovechado mas efectivamente el diseño para obtener mas rendimiento.
no es que pretenda ir de listillo, pero estoy tratando de entender esto. soy ingeniero quimico y ando haciendo un proyecto de investigación sobre polímeros conductores donde ademas podemos diseñar los distintos band gap que nos van a dar la afinidad electrónica deseada en cada electrodo.
agradecería mucho que me corrigieran si lo he entendido mal, pero según he entendido al frotar los materiales se produce una separación de cargas propiciada por la distinta afinidad electrónica. si le facilitamos un camino más fácil que el que tendría con el circuito abierto de la figura de arriba, o sea en cortocircuito se produciría la corriente. engranaran todo eso en el artificio ese rotatorio de modo que la suma de todos los distintos elementos nos de ese potencial que nos dice.
si es asi, increible que hayan podido llegar a conseguir tanto rendimiento como suma de todos esos dipolillos, las distintas ranuras tienen que ser supermicroscópicas y superbienengranadas para que no se pierdan. usa conductor oro, que ademas de su buena conductividad es lo mas dúctil y maleable que hay, pero todo esto creo que complica el diseño, aunque sin embargo repiten todo el rato que son muy fáciles de hacer…. no se, pero me encanta.
saludos desde málaga!!

lenileni

Interesante noticia. A ver si se consigue hacerlo duradero manteniendolo barato.

Respecto a la ropa inteligente…. Iriamos llenos de cables. Para conectar el generador ese del zapato al mobil del bolsillo, tendriamos que enchufar el zapato al pantalon. Para las personas que se vistan habitualmente con prisa, otro grado mas de complejidad en la ropa no les va a hacer gracia….. jejeje. Yo creo que para recargar mobiles etc, se usará solo el pantalon o chaquetas.

Mario Raul TriviñoMario Raul Triviño

Hay que se optimistas, justamente investigando el tema de la triboelectricidad, el tema es que si no tenemos la mente abierta a nuevas posibilidades energeticas siempre estaremos estancados con lo mismo, Muy bueno Amigo Naukas! Adelante!

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