Una rectena flexible para reciclar la energía ambiental del wifi

Una rectena es una antena acoplada a un circuito rectificador que se usa para recolectar la energía de señales electromagnéticas; se han publicados muchos diseños para reciclar la energía malgastada en las bandas ISM, como las de la wifi (2.45 GHz y 5.9 GHz), pero son dispositivos rígidos; la futura ropa tecnológica (wearable electronics) necesita rectenas flexibles. El español Tomás Palacios (MIT, EEUU) y sus colegas acaban de publicar en Nature la primera que alcanza una frecuencia de corte de 10 GHz. La rectena está fabricada con disulfuro de molibdeno (MoS2), un material bidimensional, con el ánodo de paladio (Pd) conectado a una antena wifi convencional y el cátodo de oro (Au) desde el que se extrae la corriente constante. Un gran avance protagonizado por un español, aunque se trata de un prototipo y su comercialización está aún muy lejana.

Un rectificador transforma una corriente alterna (AC) u ondulatoria en una corriente continua (DC) o constante. Se suele usar una combinación de cuatro diodos, estando limitada la frecuencia máxima que se puede rectificar por la capacitancia y la resistencia equivalentes a los diodos polarizados en inversa. El nuevo dispositivo usa diodos de MoS2 con una capacitancia entre 10 fF y 20 fF (femtofaradios), y una resistencia entre 2.4 kΩ y 3.4 kΩ, según el voltaje aplicado. Para la banda wifi a 2.4 GHz la eficiencia máxima alcanzada es del 40.1% medida con la rectena a 2.5 cm de la antena wifi; para una potencia emitida de 5 mW el voltaje de salida alcanza 3.5 V. Estos valores están muy lejos de los útiles para aplicaciones prácticas, pero como se trata de un prototipo se esperan grandes mejoras en los próximos años. Hay rectenas basadas en dispositivos rígidos de silicio mucho mejores, pero la flexibilidad abre un nicho tecnológico muy prometedor.

La idea de transmitir electricidad por el aire nos hace recordar a Nikola Tesla. Y así se inicia el artículo es Xu Zhang, Jesús Grajal, …, Tomás Palacios, «Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting,» Nature (28 Jan 2019), doi: 10.1038/s41586-019-0892-1. Más información divulgativa en Antonio Martínez Ron, «Un ingeniero español crea la primera antena que convierte el wifi en electricidad», Next, Voz Pópuli, 28 Ene 2019.

El MoS2 bidimensional se encuentra en dos fases llamadas 2H MoS2, con simetría hexagonal (similar al grafeno), y 3R MoS2, con simetría romboédrica. Hay una tercera fase metaestable conocida como 1T MoS2 y 1T’ MoS2, con simetría tetragonal. La nueva rectena tiene un ánodo de paladio sobre 2H MoS2, un canal de 1T/1T’ MoS2 y un cátodo de oro sobre 1T/1T’ MoS2. También se han estudiado (pero se han descartado por ser menos eficientes) dispositivos Pd/2H MoS2/Pd, con cátodo y ánodo sobe 2H MoS2, y Au/2H MoS2/Au, con cátodo y ánodo sobre 1T/1T’ MoS2. Por cierto, MoS2 tiene un grosor de 1 nm, los contactos de paladio y oro unos 50 nm, siendo  el grosor del prototipo flexible (que se ve en las fotografías), fabricado sobre un sustrato de PMMA, se estima en 50.8 μm.

Las curvas de intensidad corriente y respuesta del dispositivo son excelentes, lo que permite usar modelos circuitales equivalentes para entender de forma fácil el funcionamiento del dispositivo. La sección de Métodos del artículo incluye estos modelos sencillos, que pueden ser presentados a los alumnos por profesores de electrónica y física electrónica para su análisis detallado.

La nueva rectena flexible es muy prometedora en aplicaciones donde ser flexible sea una ventaja, por ejemplo, en la futura internet de las cosas, o en robótica biomédica. Hay muchas rectenas flexibles publicadas, pero ninguna supera 1 GHz, hasta ahora. Para frecuencias mayores, hasta 400 GHz, la única opción actual es usar rectena se rígidas de silicio. La rectena flexible de Palacios será mejorada mucho en los próximos años. Sin luga a dudas habrá que seguir al tanto de los progresos en esta área científico-tecnológica.



8 Comentarios

  1. Me pregunto si este desarrollo pudiera tener aplicación en el apantallamiento de señales de radar. Sintonizando adecuadamente este tipo de antenas ligeras y flexibles se podría aplicar a la tecnología stealth militar…

  2. Interesante, todo lo que sea aprovechar al máximo la energía será imprescindible en un futuro cercano.
    Algo que casi siempre echo en falta en estos estudios es la energía necesaria para la fabricación del material en cuestión. Es algo básico ya que sino nos puede pasar como en los primeros paneles solares, que la energía que se consumía en fabricarlos era superior a la que generaban durante toda su vida útil.
    Mientras no se pretenda fabricar a gran escala y sea investigación no hay problema, claro, pero habrá que tenerlo en cuenta más adelante.

  3. Perdonad mi ignorancia supina, pero, ¿No hay energía más asequible en el medio como pongas de radio o luz visible para aprovechar? ¿Por qué wifi?

  4. Hola Francis,
    Alguna idea de cuanto costaría mandar a fabricar una rectena flexible como la del artículo?

    Gracias de antemano.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 29 enero, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science
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