Francis en #rosavientos: Las ideas de Nikola Tesla hoy en día

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Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientosde Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

El serbio Nikola Tesla es padre de la idea del transporte de electricidad por corrientes alternas, se le considera el inventor de la radio y patentó unas 300 invenciones. Muchos le recuerdan por la electricidad sin cables. ¿Cuál fue la propuesta de Tesla para lograr la electricidad inalámbrica? La existencia de las ondas de radio y otras ondas electromagnéticas fue demostrada por Heinrich Hertz en 1887. Hertz propuso transmitir energía eléctrica de forma inalámbrica usando ondas electromagnéticas, pero estas ondas son ideales para transmitir información, no siendo adecuadas para transmitir potencia eléctrica. Nikola Tesla decidió en 1889 repetir los experimentos de Hertz, pero usando ondas de baja frecuencia. En noviembre de 1890 logró encender una bombilla de gas (precursora de los actuales tubos fluorescentes) a varios metros de distancia; en muchos museos de ciencia se presenta este experimento (aunque no siempre se menciona a Tesla). Lo logró gracias al concepto de resonancia magnética. En 1891 Tesla presentó su idea de transmitir energía eléctrica sin cables usando esta idea. El proceso de resonancia es lo que se usa un niño para poner en movimiento un columpio en un parque, o lo que usa una cantante de ópera para romper con su voz una copa de cristal. En ambos casos se trata de resonancias mecánicas. Tesla propuso usar campos magnéticos oscilatorios en resonancia para transmitir electricidad entre dos bobinas.

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En la actualidad esta idea parece fácil de poner en marcha. ¿En qué situación se encuentra hoy en día esta tecnología? Ha habido varias realizaciones experimentales de la idea de transmitir electricidad usando la resonancia, pero la más famosa la obtuvo un equipo de investigadores del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) en Cambridge, EEUU, liderados por Marin Soljačić, que desarrolló el concepto de “WiTricity” (siglas de Wireless Electricity; en español podríamos decir Witricidad, acrónimo de electricidad inalámbrica, en analogía con la WiFi). Su trabajo se publicó en el año 2007 en la revista Science y tuvo gran eco mediático. WiTricity logra una gran eficiencia (del orden del 40%) gracias al acoplo entre dos objetos con la misma frecuencia de resonancia. El equipo del MIT usó bobinas de como resonadores magnéticos a frecuencias de MHz. La transmisión es casi omnidireccional, permitiendo la presencia de objetos entre las dos bobinas. Sin embargo, WiTricity no ha tenido éxito comercial por su baja eficiencia. A día de hoy sigue siendo mucho más eficiente y más barato usar cables.

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El artículo técnico es André Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, J. D. Joannopoulos, Peter Fisher, Marin Soljačić, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” Science 317: 83-86, 6 July 2007; en español recomiendo leer a Nacho, “Electricidad sin cables, la asignatura pendiente de la tecnología moderna,” Microsiervos, 07 Jul 2010. En la wikipedia tienes más información del estado actual de WiTricity.

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Transmitir electricidad sin cables no es sólo una cuestión de comodidad, también permite resolver el mayor problema de los dispositivos móviles, las baterías. La fabricación de baterías tiene un alto coste económico y medioambiental. ¿Cuándo podemos esperar que las tecnologías inalámbricas sustituyan a las baterías?  Todavía estamos muy lejos de la utopía de Tesla, que la electricidad fluya por el aire, disponible de forma libre y gratuita para todos. En 1899, en su laboratorio de Colorado Springs, con una financiación de 30 000 dólares, Tesla construyó un transmisor de gran potencia para enviar electricidad a muy larga distancia a través de la atmósfera gracias a la refracción en la ionosfera. Construyó una enorme bobina para enviar energía usando onda larga o baja frecuencia, unos 150 kHz, similar a la que usa en radiodifusión en amplitud modulada (AM). La diferencia es que su bobina estaba alimentada con una potencia de 300 kW y producía descargas de millones de voltios. En esta época se hizo muchos autorretratos fotográficos, sentado en su laboratorio delante de estas descargas. Por supuesto realizó estas fotos con doble exposición, pues en otro caso le hubieran matado. Logró un gran impacto publicitario que trató de aprovechar para recabar financiación para montar prototipos. Sin embargo, tuvo poco éxito y sin financiación sus ideas se quedaron sólo en eso, en ideas. Se han desarrollado cargadores de baterías por inducción (como los estándares Qi o A4WP), pero requieren el contacto del dispositivo y una plataforma de carga. También se han desarrollado dispositivos que no requieren contacto, pero sí proximidad (como Cota). Por ello aún no se ha generalizado entre los usuarios.

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El futuro de la automoción son los coches eléctricos. La electricidad sin cables podría permitir el desarrollo de automóviles eléctricos que obtendrían la energía por inducción a partir de bobinas instaladas bajo el asfalto, tanto mientras circulan como cuando se dejan estacionados. ¿Cómo se encuentra este campo? El llamado pavimento inteligente capaz de suministrar a los vehículos energía en ruta ha sido desarrollado por la compañía Qualcomm. Pero todavía se encuentra en fase de investigación. En el campo de la electricidad inalámbrica de alta potencia, desde 1958, se usa la energía electromagnética de las microondas en lugar de ondas de radio de bajo frecuencia propuestas por Tesla. Con esta tecnología ya en 1963 fue posible enviar 100 W hasta una distancia de 25 metros. El dispositivo se llamaba Amplitrón y se basaba en un magnetrón de 3 GHz que consumía unos 400 kW. La eficiencia era muy baja, pero ya en 1964 se usó esta técnica para controlar un helicóptero a distancia (volando en la vertical del magnetrón). En la actualidad se ha ensayado su uso para alimentar drones y cuadricópteros eléctricos, lo que reduce el problema del peso de las baterías. Se trata de un campo muy prometedor, pero todavía se requieren importantes avances para convertir el sueño de Tesla en una realidad.

Más información en Alvy, “Avances en cuadricópteros: ahora sin batería,” Microsiervos, 21 Jul 2013. Sobre el estado actual de la investigación en la alimentación eléctrica inalámbrica de vehículos y drones recomiendo leer D. M. Vilathgamuwa, J. P. K. Sampath, “Wireless Power Transfer (WPT) for Electric Vehicles (EVs)—Present and Future Trends,” in Plug In Electric Vehicles in Smart Grids Power Systems, 2015, pp 33-60. Más información sobre la historia de esta tecnología en William C. Brown, “The History of Power Transmission by Radio Waves,” IEEE T. Microwave Theory and Techniques 32: 1230-1242, 1984.

Dibujo20150110 Nokia Research Centre in Cambridge UK - technology small amounts energy from ambient radio and TV waves

Tesla pensaba que se podría extraer energía directamente del aire. La utopía de una fuente infinita y gratuita de energía que podría eliminar el problema de la creciente demanda energética. ¿En qué situación se encuentra este tecnología? Tesla nunca logró éxitos en este campo. Sus ideas estaban dirigidas a engatusar a los inversores y tenían como objetivo recabar financiación. Obtener electricidad inalámbrica a partir de la energía de las ondas electromagnéticas se puede lograr, aunque como son ondas de baja potencia (para garantizar su seguridad) la energía que se puede obtener es muy pequeña. Desde el año 2009 el Centro de Investigación de Nokia en Cambridge, Gran Bretaña, ha estado investigando un sistema para alimentar teléfonos móviles sin batería, que estarían en un estado continuo de carga. La idea de Nokia es aprovechar los campos electromagnéticos ya existentes de forma natural u originados por antenas de telefonía, radio y televisión. Es decir, sin necesidad de generar campos electromagnéticos específicos para la ocasión. Sin embargo de momento los resultados obtenidos por Nokia están lejos de tener una aplicación práctica. La potencia obtenida del aire es demasiado escasa: apenas unos 5 milivatios. Esto es unas diez veces menos que el mínimo necesario para un teléfono móvil, p.ej., un reproductor de MP3 típico consume unos 100 milivatios. Los avances en esta campo están basados en nuevas tecnologías más allá de los conocimientos de la época de Tesla. Aún así, todavía queda mucho tiempo para que se obtengan productos comerciales que todos podamos disfrutar.

Más información en Nacho, “Electricidad sin cables, la asignatura pendiente de la tecnología moderna,” Microsiervos, 07 Jul 2010; Bridgette Meinhold, “Nokia Phone Charges by Drawing Energy Out of Thin Air,” InHabitat, 11 Jun 2009; Duncan Graham-Rowe, “Nokia developing phone that recharges itself without mains electricity,” The Guardian, 10 Jun 1009; Duncan Graham-Rowe, “Wireless Power Harvesting for Cell Phones,” MIT Technology Review, 09 Jun 2009.  

Nikola Tesla en 1890 experimentó una posible alternativa al telégrafo sin hilos de Marconi, un generador de ondas magnéticas. La modulación de las ondas magnéticas para transmitir mensajes de texto o de voz. ¿En qué situación se encuentra esta tecnología? Usando campos magnéticos rotatorios se pueden transmitir mensajes. En el año 2010 fue noticia el anuncio del sistema MagneLink desarrollado por la empresa Lockheed Martin para comunicar en caso de emergencia a los mineros con la superficie. En el comunicado de prensa de esta compañía se afirmó que su solución estaba basada en una idea de Tesla. Un electroimán crea un campo magnético inocuo y de baja energía que se puede extender hasta 500 metros. Modulando este campo magnético se puede transmitir texto a baja velocidad, unos 600 bits por segundo. Un alcance de 500 metros es suficiente para comunicar al 85% de las minas subterráneas de los Estados Unidos. Por supuesto hay otros sistemas de comunicación sin cables a través de la tierra (llamados sistemas TTE, siglas de Through-The-Earth) que se usan en minería, en espeleología y otros campos. La mayoría se basan en la propagación de señales de radio de baja frecuencia. Esta señales se atenúan mucho al atravesar capas conductoras en la tierra, pero con frecuencias entre 10 Hz y 10 kHz se puede atravesar distancias grandes. Normalmente se usan frecuencias inferiores a 5 kHz en el borde bajo de la banda de muy baja frecuencia (VLF), o en la banda de frecuencias extremadamente bajas (ELF), por debajo de 3 kHz. El MagneLink ha tenido poco éxito al ser más voluminoso y menos manejable que otros sistemas de la competencia.

Más información en Phil Berardelli, “Tapping Tesla to Save Trapped Miners,” Science News, 20 Aug 2010; en español puedes leer a Maikelnai, “Los mineros también aman a Tesla,” Naukas, 21 Ago 2010.

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Tesla quería diseñar un sistema mundial de transmisión inalámbrica de energía eléctrica que propagara la energía en la ionosfera y alcanzara grandes distancias. Mucha gente relaciona esto con el proyecto HAARP que la Fuerza Aérea estadounidense tiene en Alaska. ¿Cuál es el objetivo de este proyecto? HAARP son las siglas en inglés del Programa de Investigación de Auroras Activas de Alta Frecuencia (High-Frequency Active Auroral Research Program). Sus 180 antenas son capaces de emitir 3,6 megavatios de energía hacia la ionosfera. Esta energía es absorbida parcialmente entre 100 kilometros y 350 kilómetros de altitud, acelerando los electrones que hay allí y “calentando” la ionosfera. Desde el punto de vista científico permite estudiar la física de las auroras y el comportamiento de las partículas cargadas en la ionosfera. El Departamento de Defensa de Estados Unidos creó la instalación HAARP para facilitar la comunicación con sus submarinos nucleares. HAARP nació en plena Guerra Fría. Los submarinos nucleares evitan ser detectados al moverse a gran profundidad pero ello dificulta las comunicaciones. En 1958, Nicholas Christofilos, un físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, propuso el uso de ondas a frecuencias extremadamente bajas (ELF) para comunicarse con submarinos sumergidos. Se crearon dos instalaciones operativas en Michigan y Wisconsin que fueron clausuradas en 2004. El proyecto HAARP nació en los años 1980 gracias al físico Dennis Papadopoulos, del Laboratorio de Investigación Naval en Washington, DC, para facilitar las comunicaciones submarinas usando la ionosfera.

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El proyecto HAARP está rodeado de un halo de misterio y hay quienes afirman que puede provocar terremotos en cualquier parte del mundo, o cambiar la dirección de las tormentas tropicales. ¿Qué nos puede decir sobre este tema? HAARP no produce suficiente energía para inducir estos fenómenos. El proyecto HAARP está rodeado de cierto halo de misterio porque en 2002 el director de la agencia DARPA propuso usar la instalación como escudo de protección para recabar financiación del Ministerio de Defensa. Su propuesta era que si Corea del Norte hace detonar un arma nuclear en la alta atmósfera produciría un tormenta de electrones de alta energía que podría dañar a la electrónica de todos los satélites en órbita baja, tanto militares como civiles y comerciales. HAARP podría contrarrestar los efectos de una explosión nuclear a gran altitud. Nadie sabe a ciencia cierta si esta posible aplicación funciona. Pero hay constancia de que se ha invertido dinero en la instalación para realizar esta investigación. Aún así, hoy en día HAARP se dedica sobre todo a la investigación científica para comprender mejor la ionosfera de la Tierra y las auroras. La primera aurora artificial se creó en Europa gracias a una instalación similar llamada EISCAT (acrónimo de European Incoherent Scatter Scientific Association), en el norte de Escandinavia. Pero HAARP tiene más potencia y en 2005 logró crear una aurora artificial visible a simple vista. En cierto sentido HAARP cumple el sueño de Nikola Tesla de usar la ionosfera para comunicar el mundo entero.

Recomiendo leer a Sharon Weinberger, “Atmospheric physics: Heating up the heavens. Battling rumours of death beams and mind control, an ionosphere research facility in Alaska finally brings science to the fore,” News, Nature 452: 930-932, 2008. En español puedes leer a Maikelnai, “¿Por qué el proyecto HAARP es tan atractivo para los magufos?,” Naukas, 15 Mar 2011.



7 Comentarios

  1. La transmision de energia por radiofrecuencia y su detección es una realidad. Si se escucha la radio con una radio de galena (o radio a cristal) se aprovecha la energia de las ondas y sin necesidad de amplificación, ni baterias se puede escuchar la radio. Pero muy bajito y con auriculares.
    Existen diversos kits de muy facil montaje que recomiendo a los que quieran aprender y experimentar sobre este tema.

  2. Tesla, está siendo objeto de mitificación por los inventos que se le atribuyen, entre ellos esta atribuirle la radio. Se suele argumentar que fue reconocido como inventor de la radio en una decisión , de 1943, de la corte suprema de EE UU quien quiere conocer lo que realmente se reconocia en dicha sentencia es interesante el documento: Nikola Tesla: The Guy Who DIDN’T “Invent Radio” (http://earlyradiohistory.us/tesla.htm (esta sentencia fue motivada para evitar que Marconi cobrase los royalties que reclamaba al ejercito americano por el uso de la radio en al primera guerra mundial ).

    En este documento y en distintos sitios (por ejemplo: en los extraordinatios documentales de la BBC sobre la Historia de la Electricidad de Ali Alkalili. destraciadamente no disponible en Youtube)
    se reconoce que el realmente hizo un aparato radio, tal como lo entendemos hoy, fue Marconi que utilizo descubrimientos previos principalmente de Stone and Lodge, en mucha mayor medida que las patentes de Tesla.

    Tambien está ampliamente entendido el mito (que de alguna manera reconoce Francis en esta entrada) de que Tesla pretendia energia gratuita. Muchos conspiranoicos se apuntan a la idea de que estaba a punto de conseguirlo pero alguna mano negra (naturalmente menejada por las empresas electricas) se lo impidio. Mas real es que su benefactor (Westinghose) se harto de poner dinero en un proyecto totalmente inviable, Una cosa es la posibilidad de la trasmisión inalambrica de la electricidad y otra muy distinta es sacar electricidad de la nada.Por cierto esta versión mitica se encuentra mucho en la literatura en español (incluida la Wiki).Si uno lee la versión inglesa es mucho mas equilibra y documentada,

    No quiero que lo anterior se interprete como una adversion a Testal, que no la tengo, por el contrario me parece admirable pero hay que diferenciar mito de lo que realmente hizo que fue bastante

  3. Sobre el personaje de Tesla, lo realmente triste es que se le recuerde principalmente por las cosas que no hizo o en las que se equivocó, y en cambio su real e ingente contribución a la electrotecnia pase casi desapercibida.
    Sobre Tesla y la radio, después de estudiar muy a fondo el tema ( http://sites.google.com/site/anilandro/00200-origenes-radio ), puedo afirmar que si Tesla no hubiera participado en absoluto en el desarrollo de la radio, este medio de comunicación habría aparecido en el mismo instante y con la misma evolución.

    Un saludo

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 11 enero, 2015
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