El nuevo generador de carga flexible ofrece la opción de convertir la energía mecánica en energía eléctrica, con ventajas para aplicaciones tales como autonomía plena en dispositivos médicos para detección de enfermedades, vigilancia del medio ambiente, tecnología de defensa y electrónica personal. Para ello los ingenieros del Georgia Institute of Technology han desarrollado un nuevo tipo de generador de energía eléctrica a pequeña escala, capaz de producir corriente alterna a través de una extensión cíclica de cables de óxido de zinc, encapsulados en un substrato flexible de plástico con dos extremos adheridos.
Según nos comentaba el profesor Zhong Lin Wang, director del “Centro de Caracterización de Nanoestructura” en el Georgia Institute of Technology: “Este dispositivo se encuentra en su cuarta generación diseñado para producir corriente eléctrica mediante el uso de las propiedades piezoeléctricas para la captación de energía mecánica del entorno”. Este nuevo generador puede producir una oscilación de voltaje de salida de hasta 45 milivoltios, la conversión es de casi el siete por ciento de la energía mecánica aplicada directamente al cable de óxido de zinc eléctricamente.
A principios los nanocables nanogeneradores y las microfibras nanogeneradoras desarrolladas por Wang y su equipo de ingenieros dependía del contacto intermitente entre la verticalidad de los nanocables de óxido de cinc y un electrodo, o de la mecánica de contacto de las cubiertas de fibras de los nanocables. Estos dispositivos son difíciles de construir, y el contacto mecánico causa desgaste, con lo cual en un periodo corto de tiempo podría dejar de funcionar, además el óxido de cinc es soluble en agua, por lo que en ambientes húmedos produce un bajo rendimiento.
Este nuevo generador de carga flexible resuelve varias cuestiones fundamentales con respecto a los anteriores grupos electrógenos desarrollados. El nuevo diseño es más sólido, eliminando el problema de la infiltración de humedad y el desgaste de las estructuras. Desde un punto de vista práctico, esto es una gran ventaja.
Para incrementar la actual producción, durante la fabricación de los generadores de carga podrían ser construidos y conectados en serie. Varias capas de estos generadores también podrían ser construidos mediante la agrupación de módulos que podrían ser incorporados en prendas de vestir, banderas, materiales de construcción, calzado, o incluso ser implantado en el cuerpo humano para poder detectar problemas de salud.
Construido con óxido de zinc, el dispositivo piezoeléctrico posee unos cables con diámetros de tres a cinco micras y longitudes de 200 a 300 micras, el nuevo generador ya no depende de la escala nanométrica de estructuras. De hecho el prototipo final contaba con dimensiones más elevadas de lo normal para propiciar que la fabricación fuese más fácil, pero según los ingenieros podría reducirse a una escala nanométrica menor.
Ampliar las fibras propicia que sean más fáciles de fabricar estos dispositivos. Los cables se cultivan utilizando un método de deposición física de vapor a aproximadamente 600 grados Celsius. Utilizando un microscopio óptico, los cables son posteriormente puestos en régimen de contacto en una película de poliamida y plata en pasta que se aplica en ambos extremos para actuar como electrodos. Los cables y electrodos fueron encapsuladas en poliamida para protegerlos del desgaste y degradación del entorno.
Para medir la energía eléctrica generada, los ingenieros sometieron al sustrato y al cable de óxido de cinc adjuntos a periodos mecánicos de flexión producidos por un motor de un brazo mecánico. La resistencia a la tracción de flexión inducida por tensión, creó energía en el campo piezoeléctrico a lo largo de los cables. Ello, a su vez, condujo un flujo de electrones en un circuito externo, creando alternancia en los ciclos de carga y descarga y el correspondiente flujo de la corriente.
El aumento de la tasa de tensión en la magnitud de producción de electricidad, tanto en el voltaje y la corriente, hace creer a los investigadores que la frecuencia de la corriente se encuentra limitada sólo por las propiedades mecánicas del sustrato de poliamida.
Mirando al futuro, los investigadores consideran que la familia de estos pequeños generadores permitirán el desarrollo de una nueva clase de sistemas y dispositivos auto-alimentados. Estos podrán recopilar información, almacenar y transmitir los datos, todo ello sin una fuente de alimentación externa. La nanotecnología “self-powered” podría ser la base para una nueva industria, ya que es realmente la única manera de construir sistemas independientes.
La investigación ha sido apoyada por el Departamento de Energía de los EE.UU., la Fundación Nacional de Ciencia, la Oficina de Investigación científica de la Fuerza Aérea y el Centro Tecnológico Emory-Georgia.
Datos de investigación provenientes del Georgia Institute of Technology.
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