Cómo la recolección de electricidad del aire húmedo podría algún día alimentar nuestros dispositivos
Martes 11 de
Julio 2023
El afamado físico Nikola Tesla quería obtener electricidad a partir de la humedad del aire, aprovechando los procesos que tienen lugar en las nubes de tormenta: décadas después de su muerte, la idea podría finalmente estar fructificando.
Nadie en el laboratorio podía creer lo que estaban viendo. Un dispositivo experimental, un sensor de humedad, había comenzado a generar señales eléctricas. Bien, podrías pensar, excepto que eso no debería haber sido posible.
"Por alguna razón, el estudiante que estaba trabajando en el dispositivo se olvidó de enchufarlo", dice Jun Yao de la Universidad de Massachusetts Amherst. "Ese es el comienzo de la historia".
Desde ese momento, hace cinco años, Yao y sus colegas han estado desarrollando una tecnología que puede recolectar electricidad de nada más que aire húmedo: un concepto conocido como higroelectricidad.
Es una idea que ha existido durante muchos años. Nikola Tesla y otros lo han investigado en el pasado pero nunca lograron resultados prometedores. Sin embargo, eso podría estar a punto de cambiar.
Múltiples grupos de investigación en todo el mundo están descubriendo nuevas formas de obtener electricidad de las moléculas de agua que flotan naturalmente en el aire. Es posible porque esas moléculas de agua pueden transferir diminutas cargas eléctricas entre ellas, un proceso que los investigadores pretenden controlar. El desafío es recoger suficiente electricidad para poder utilizarla. Pero los científicos ahora creen que pueden recolectar lo suficiente para alimentar computadoras o sensores en miniatura.
Plantea la tentadora perspectiva de una nueva forma de energía renovable que podría estar flotando a nuestro alrededor, prácticamente las 24 horas del día, los 7 días de la semana.
En 2020, Yao y sus colegas publicaron un artículo científico que describía cómo pequeños nanocables de proteína , producidos por una bacteria, podían recolectar electricidad del aire. El mecanismo exacto aún se está discutiendo, pero los diminutos poros del material parecen ser capaces de atrapar moléculas de agua flotantes. A medida que se frotan contra el material, las moléculas de agua también parecen prestarle una carga.
Yao explica que, en tal sistema, la mayoría de las moléculas permanecen cerca de la superficie y depositan mucha carga eléctrica, mientras que otras penetran más profundamente. Esto crea una diferencia de carga entre las partes superior e inferior de la capa de material.
"Con el tiempo, ves que está ocurriendo una separación de carga", dice Yao. "Eso es realmente lo que sucede en una nube". En una escala mucho mayor y más dramática, las nubes de tormenta también crean una acumulación de cargas eléctricas opuestas que finalmente se descargan en forma de relámpagos .
Esto significa que, al influir en el movimiento de las moléculas de agua y crear las condiciones adecuadas para la separación de carga, puede generar electricidad. "El dispositivo puede funcionar literalmente en cualquier parte de la Tierra", dice Yao.
Ese artículo de 2020 resultó ser la punta del iceberg.
Yao y sus colegas publicaron un estudio de seguimiento en mayo de 2023 en el que crearon el mismo tipo de estructura, llena de nanoporos, pero utilizando una variedad de materiales diferentes, desde copos de óxido de grafeno y polímeros hasta nanofibras de celulosa derivadas de la madera. Todos funcionaron, aunque con algunas pequeñas diferencias. Esto sugiere que la estructura es lo que importa, más que el material en sí.
En los experimentos realizados hasta ahora, dispositivos más delgados que un cabello humano generaron cantidades muy pequeñas de electricidad, equivalentes a una fracción de un voltio. Yao sugiere que simplemente haciendo más material, o uniendo partes de él, podría comenzar a obtener cargas útiles de múltiples voltios y más. Incluso podría estar hecho de un líquido que podría rociarse sobre las superficies para proporcionar una fuente de energía instantánea, sugiere.
"Creo que es realmente emocionante", dice Reshma Rao, ingeniera de materiales del Imperial College London en el Reino Unido, que no participó en el estudio. "Hay una gran flexibilidad en el tipo de materiales que puede usar".
Sin embargo, puede que no sea realista imaginar que esa tecnología alimente edificios enteros o máquinas hambrientas de energía como los automóviles, advierte Rao. Es posible que la humedad solo sea suficiente para alimentar dispositivos de internet de las cosas, como sensores o pequeños dispositivos electrónicos portátiles.
Cualquiera que busque comercializar una tecnología como esta deberá demostrar suficiente potencia de salida y competitividad de costos en comparación con otras energías renovables.
El de Yao está lejos de ser el único equipo que investiga el aire húmedo como un recurso energético potencial. En 2020, un grupo en Israel logró recolectar electricidad pasando aire húmedo entre dos piezas de metal . El aire húmedo indujo una carga en el metal mientras fluía sobre él.
Este fenómeno se registró por primera vez en 1840, cuando un conductor de tren en una mina de carbón al norte de Newcastle, en el noreste de Inglaterra, sintió una extraña sensación de hormigueo en la mano mientras operaba el motor. Más tarde, notó una pequeña chispa saltando entre su dedo y una de las palancas del vehículo. Los científicos que investigaron el incidente concluyeron que el vapor que rozaba el metal de la caldera del motor había provocado la acumulación de una carga.
Colin Price, investigador de ciencias atmosféricas de la Universidad de Tel Aviv en Israel, coautor del artículo de 2020, dice que las cargas generadas en los experimentos de laboratorio con pequeñas piezas de metal eran muy bajas. Sin embargo, agrega que él y sus colegas están trabajando para mejorar su sistema. Aún así, una limitación podría ser que requirieran una humedad relativa del 60% o más, mientras que los dispositivos de Yao y sus colegas comienzan a generar electricidad a una humedad relativa de alrededor del 20%.
Mientras tanto, un equipo en Portugal está trabajando en un proyecto financiado por la Unión Europea llamado CATCHER , que también tiene como objetivo aprovechar el aire húmedo como fuente de energía. Svitlana Lyubchyk, científica de materiales de la Universidad Lusófona de Lisboa, Portugal, coordina el proyecto y cofundó una empresa llamada CascataChuva.
“Creo que el prototipo de ingeniería estará listo a fines de este año, más o menos”, dice Lyubchyk, mientras su hijo Andriy Lyubchyk, quien también es cofundador de la empresa, presenta un video de una pequeña luz LED siendo encendido y apagado. Sostiene un disco gris de unos 4 cm (1,6 pulgadas) de diámetro, hecho de óxido de circonio, y explica que este material puede atrapar moléculas de agua del aire húmedo y obligarlas a fluir a través de diminutos canales. Él dice que esto genera una carga eléctrica, suficiente para suministrar alrededor de 1,5 voltios de un solo disco. Solo dos discos son suficientes para alimentar el LED, afirma, y agrega que se podrían encadenar muchas más piezas del material para crear una salida aún mayor.
Sin embargo, aunque parte de la información sobre el trabajo está disponible en línea , los detalles completos sobre los últimos experimentos del equipo aún no se han publicado ni revisado por pares. El grupo también se negó a compartir cualquier material que muestre cómo los discos están conectados al LED para encenderlo.
Quedan muchas preguntas sobre los mecanismos detrás de todos estos esfuerzos higroeléctricos, dice Rao. "Hay mucho más por investigar en términos de los fundamentos de por qué esto funciona".
También está el tema de la comercialización. Cualquiera que busque comercializar una tecnología como esta deberá demostrar suficiente producción de energía y competitividad de costos en comparación con otras energías renovables, dice Sarah Jordaan, ingeniera civil de la Universidad McGill en Canadá, que estudia las compensaciones ambientales y económicas de las decisiones energéticas.
Las tecnologías de energía renovable más establecidas, como la eólica y la solar, tienen claramente una ventaja. Probablemente serán mucho más importantes en la próxima década, un momento en el que es particularmente urgente abandonar los combustibles fósiles .
A pesar de estos desafíos, Rao dice que sigue habiendo un "rayo de esperanza" de que surgirán nuevos materiales energéticos de la investigación sobre la higroelectricidad.
"Por alguna razón, el estudiante que estaba trabajando en el dispositivo se olvidó de enchufarlo", dice Jun Yao de la Universidad de Massachusetts Amherst. "Ese es el comienzo de la historia".
Desde ese momento, hace cinco años, Yao y sus colegas han estado desarrollando una tecnología que puede recolectar electricidad de nada más que aire húmedo: un concepto conocido como higroelectricidad.
Es una idea que ha existido durante muchos años. Nikola Tesla y otros lo han investigado en el pasado pero nunca lograron resultados prometedores. Sin embargo, eso podría estar a punto de cambiar.
Múltiples grupos de investigación en todo el mundo están descubriendo nuevas formas de obtener electricidad de las moléculas de agua que flotan naturalmente en el aire. Es posible porque esas moléculas de agua pueden transferir diminutas cargas eléctricas entre ellas, un proceso que los investigadores pretenden controlar. El desafío es recoger suficiente electricidad para poder utilizarla. Pero los científicos ahora creen que pueden recolectar lo suficiente para alimentar computadoras o sensores en miniatura.
Plantea la tentadora perspectiva de una nueva forma de energía renovable que podría estar flotando a nuestro alrededor, prácticamente las 24 horas del día, los 7 días de la semana.
En 2020, Yao y sus colegas publicaron un artículo científico que describía cómo pequeños nanocables de proteína , producidos por una bacteria, podían recolectar electricidad del aire. El mecanismo exacto aún se está discutiendo, pero los diminutos poros del material parecen ser capaces de atrapar moléculas de agua flotantes. A medida que se frotan contra el material, las moléculas de agua también parecen prestarle una carga.
Yao explica que, en tal sistema, la mayoría de las moléculas permanecen cerca de la superficie y depositan mucha carga eléctrica, mientras que otras penetran más profundamente. Esto crea una diferencia de carga entre las partes superior e inferior de la capa de material.
"Con el tiempo, ves que está ocurriendo una separación de carga", dice Yao. "Eso es realmente lo que sucede en una nube". En una escala mucho mayor y más dramática, las nubes de tormenta también crean una acumulación de cargas eléctricas opuestas que finalmente se descargan en forma de relámpagos .
Esto significa que, al influir en el movimiento de las moléculas de agua y crear las condiciones adecuadas para la separación de carga, puede generar electricidad. "El dispositivo puede funcionar literalmente en cualquier parte de la Tierra", dice Yao.
Ese artículo de 2020 resultó ser la punta del iceberg.
Yao y sus colegas publicaron un estudio de seguimiento en mayo de 2023 en el que crearon el mismo tipo de estructura, llena de nanoporos, pero utilizando una variedad de materiales diferentes, desde copos de óxido de grafeno y polímeros hasta nanofibras de celulosa derivadas de la madera. Todos funcionaron, aunque con algunas pequeñas diferencias. Esto sugiere que la estructura es lo que importa, más que el material en sí.
En los experimentos realizados hasta ahora, dispositivos más delgados que un cabello humano generaron cantidades muy pequeñas de electricidad, equivalentes a una fracción de un voltio. Yao sugiere que simplemente haciendo más material, o uniendo partes de él, podría comenzar a obtener cargas útiles de múltiples voltios y más. Incluso podría estar hecho de un líquido que podría rociarse sobre las superficies para proporcionar una fuente de energía instantánea, sugiere.
"Creo que es realmente emocionante", dice Reshma Rao, ingeniera de materiales del Imperial College London en el Reino Unido, que no participó en el estudio. "Hay una gran flexibilidad en el tipo de materiales que puede usar".
Sin embargo, puede que no sea realista imaginar que esa tecnología alimente edificios enteros o máquinas hambrientas de energía como los automóviles, advierte Rao. Es posible que la humedad solo sea suficiente para alimentar dispositivos de internet de las cosas, como sensores o pequeños dispositivos electrónicos portátiles.
Cualquiera que busque comercializar una tecnología como esta deberá demostrar suficiente potencia de salida y competitividad de costos en comparación con otras energías renovables.
El de Yao está lejos de ser el único equipo que investiga el aire húmedo como un recurso energético potencial. En 2020, un grupo en Israel logró recolectar electricidad pasando aire húmedo entre dos piezas de metal . El aire húmedo indujo una carga en el metal mientras fluía sobre él.
Este fenómeno se registró por primera vez en 1840, cuando un conductor de tren en una mina de carbón al norte de Newcastle, en el noreste de Inglaterra, sintió una extraña sensación de hormigueo en la mano mientras operaba el motor. Más tarde, notó una pequeña chispa saltando entre su dedo y una de las palancas del vehículo. Los científicos que investigaron el incidente concluyeron que el vapor que rozaba el metal de la caldera del motor había provocado la acumulación de una carga.
Colin Price, investigador de ciencias atmosféricas de la Universidad de Tel Aviv en Israel, coautor del artículo de 2020, dice que las cargas generadas en los experimentos de laboratorio con pequeñas piezas de metal eran muy bajas. Sin embargo, agrega que él y sus colegas están trabajando para mejorar su sistema. Aún así, una limitación podría ser que requirieran una humedad relativa del 60% o más, mientras que los dispositivos de Yao y sus colegas comienzan a generar electricidad a una humedad relativa de alrededor del 20%.
Mientras tanto, un equipo en Portugal está trabajando en un proyecto financiado por la Unión Europea llamado CATCHER , que también tiene como objetivo aprovechar el aire húmedo como fuente de energía. Svitlana Lyubchyk, científica de materiales de la Universidad Lusófona de Lisboa, Portugal, coordina el proyecto y cofundó una empresa llamada CascataChuva.
“Creo que el prototipo de ingeniería estará listo a fines de este año, más o menos”, dice Lyubchyk, mientras su hijo Andriy Lyubchyk, quien también es cofundador de la empresa, presenta un video de una pequeña luz LED siendo encendido y apagado. Sostiene un disco gris de unos 4 cm (1,6 pulgadas) de diámetro, hecho de óxido de circonio, y explica que este material puede atrapar moléculas de agua del aire húmedo y obligarlas a fluir a través de diminutos canales. Él dice que esto genera una carga eléctrica, suficiente para suministrar alrededor de 1,5 voltios de un solo disco. Solo dos discos son suficientes para alimentar el LED, afirma, y agrega que se podrían encadenar muchas más piezas del material para crear una salida aún mayor.
Sin embargo, aunque parte de la información sobre el trabajo está disponible en línea , los detalles completos sobre los últimos experimentos del equipo aún no se han publicado ni revisado por pares. El grupo también se negó a compartir cualquier material que muestre cómo los discos están conectados al LED para encenderlo.
Quedan muchas preguntas sobre los mecanismos detrás de todos estos esfuerzos higroeléctricos, dice Rao. "Hay mucho más por investigar en términos de los fundamentos de por qué esto funciona".
También está el tema de la comercialización. Cualquiera que busque comercializar una tecnología como esta deberá demostrar suficiente producción de energía y competitividad de costos en comparación con otras energías renovables, dice Sarah Jordaan, ingeniera civil de la Universidad McGill en Canadá, que estudia las compensaciones ambientales y económicas de las decisiones energéticas.
Las tecnologías de energía renovable más establecidas, como la eólica y la solar, tienen claramente una ventaja. Probablemente serán mucho más importantes en la próxima década, un momento en el que es particularmente urgente abandonar los combustibles fósiles .
A pesar de estos desafíos, Rao dice que sigue habiendo un "rayo de esperanza" de que surgirán nuevos materiales energéticos de la investigación sobre la higroelectricidad.
Con información de
BBC News Mundo
