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La recolección de energía es algo de lo que muchos ingenieros han oído hablar, pero el MIT ha llevado este concepto a un nivel completamente nuevo al introducir un sensor subacuático que no tiene batería.

Imagine que un sensor con comunicación inalámbrica podría funcionar completamente en un módulo de recolección de energía. Tal sensor podría comunicar datos sensoriales y no requeriría ninguna fuente de energía y el diseñador no debería preocuparse por reemplazar el hardware. Esto es exactamente lo que ha hecho un equipo del MIT al descubrir cómo utilizar el efecto piezoeléctrico y la técnica de retrodispersión para generar energía y enviar y recibir datos. Estas dos tecnologías reemplazan la necesidad de una batería.

Figura 1. El sensor subacuático sin batería del MIT produce energía utilizando materiales piezoeléctricos. Imagen cortesía de MIT.

Teledetección para transferencia de datos

Desde el primer transistor, los circuitos electrónicos se han reducido en tamaño y costo dramáticamente. Un chip que costaría una fortuna en los años 60 con cinco transistores ahora se puede vender a precios inferiores al centavo en un tamaño casi demasiado pequeño para verlo a simple vista. Por supuesto, la tecnología de transistores no es la única área de la electrónica que ha mejorado; Las baterías se han hecho increíblemente pequeñas y tienen altas densidades de energía, los sensores son más sensibles que nunca y las placas de circuito pueden tener hasta 16 capas.

Incluso con estos tamaños pequeños, no importa cuánto lo intentemos, los dispositivos electrónicos siempre consumirán energía. Esta necesidad de energía resulta en dificultades cuando se desarrolla para aplicaciones donde la energía es una virtud.

Un ejemplo clásico es la teledetección mediante la cual se necesitan datos sensoriales desde una ubicación inaccesible o que no tiene acceso a infraestructuras típicas como Internet y líneas eléctricas. En estos entornos, los dispositivos necesitan encontrar su propia fuente de energía o administrar cuidadosamente una fuente de energía que un ingeniero reemplaza periódicamente. Si el entorno lo permite, los dispositivos pueden usar paneles solares y otras fuentes renovables para cargar una pequeña batería recargable, pero esto puede ser torpe, difícil de instalar y potencialmente poco confiable.

Otra alternativa es usar una batería no recargable que puede usarse en ráfagas para transmitir datos sensoriales. El uso de explosiones puede ayudar a conservar energía al hacer que el dispositivo duerma durante la mayor parte de su funcionamiento. Sin embargo, esto aún requiere la intervención del usuario cuando la energía de la batería se agota y las baterías pueden ser voluminosas en escenarios en los que un dispositivo necesita funcionar durante más de unos pocos meses.

Sensores de potencia con recolección de energía

Un área de la electrónica, la recolección de energía, está generando interés, ya que permite que un dispositivo simplemente "absorba" la energía natural que lo rodea para funcionar. Si bien esto puede parecer mágico, hay varios aspectos de la recolección de energía que deben entenderse.

En primer lugar, las técnicas de recolección de energía no pueden proporcionar grandes cantidades de energía, lo que las hace más ideales para dispositivos electrónicos portátiles y sensores pequeños. En segundo lugar, las fuentes de "energía natural" son típicamente mecánicas (como la vibración y el viento) o térmicas. Si bien la energía solar y eólica son formas de recolección de energía del medio ambiente, generalmente no se tienen en cuenta cuando se trata de sensores pequeños y dispositivos remotos. La implementación de la recolección de energía puede ser una tarea interesante por derecho propio y se ha vuelto tan popular que los módulos de recolección de energía ahora están disponibles comercialmente. Permiten conectarse a fuentes de energía “micro” externas, como los discos piezoeléctricos, que pueden administrar adecuadamente el almacenamiento y la conversión de la energía obtenida de la fuente de energía.

Sensor sin batería

Un equipo de MIT ha creado un nuevo tipo de sensor que puede transmitir de forma inalámbrica información sensorial bajo el agua sin la necesidad de una batería.

El funcionamiento del sensor se basa en materiales piezoeléctricos y consiste en un transmisor maestro y un receptor esclavo que contiene sensores. Cuando se requieren datos sensoriales del sensor esclavo, el transmisor maestro utiliza un elemento piezoeléctrico para enviar vibraciones en el agua que golpean el receptor esclavo. Al recibir la vibración, el dispositivo puede hacer una o dos cosas con la vibración; absorba la vibración y almacene la energía resultante o refleje la señal.

Si el sensor desea enviar un 1 digital, el sensor configura el elemento piezoeléctrico para que no absorba la onda, sino que refleje la onda. Si el sensor desea enviar un 0 digital, entonces absorbe la energía de la onda entrante pero no envía una onda. El transmisor maestro puede detectar el patrón de onda reflejado y, por lo tanto, deducir la información que ha enviado el sensor. Al mismo tiempo, el sensor puede alimentarse con pequeños pulsos de sonido y realizar las operaciones del sensor según sea necesario.

El equipo pudo demostrar este sistema bajo el agua con el dispositivo maestro y dos dispositivos esclavos separados por hasta 10 metros y ambos sensores pudieron transmitir datos sensoriales a velocidades de datos de 3 KB por segundo.

Desafíos para los diseños submarinos

Fadel Adib, profesor asistente en el MIT Media Lab y el Departamento de Ingeniería Electrónica y Ciencias de la Computación, dijo que su inspiración para los sensores provino de ver Blue Planet. En la serie de televisión sobre los océanos de la Tierra se afirma que el 70% de la superficie de la Tierra está cubierta de agua y que los humanos tienen muy poco conocimiento de lo que realmente sucede en los océanos (en comparación con la tierra).

Una idea para cambiar esto sería tener un equivalente del IoT bajo el agua, pero sería imposible obtener energía para dichos sensores a profundidades donde hay muy poca luz solar y no hay viento. Otro problema importante de la comunicación subacuática es que las ondas de radio como Bluetooth y Wi-Fi viajan muy mal y las longitudes de onda largas requieren una antena grande. Esto llevó a Adib a explorar materiales piezoeléctricos que pueden producir y absorber ondas acústicas que pueden transmitir energía y transmitir información que viaja muy bien en el agua.

Aplicaciones espaciales: la frontera final

Si bien este método de comunicación acústica subacuática y recolección de energía puede ser muy beneficioso para los estudios marinos, también puede proporcionar una solución invaluable para la exploración espacial. Los lugares como Titán que tienen líquido en la superficie son misteriosos e inexplorados, pero el envío del sensor en esos lugares conlleva una serie de problemas, incluida la falta de energía (del sol) y ningún método para cambiar las baterías. Los sensores sin batería que pueden comunicarse con un host desde la superficie proporcionarían a los científicos datos sensoriales durante mucho tiempo (potencialmente la vida útil del sensor en sí). Pero hasta que la NASA decida ir a otro planeta con MIT de líquido superficial, el sistema de sensores submarinos tendrá que permanecer en la Tierra y continuar desarrollándose para una red submarina potencial.

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