Recolección de energía: la energía que dejamos escapar

Cada vez que caminamos, nuestro peso impacta contra el suelo y parte de esa energía se disipa en forma de vibraciones que nadie aprovecha. Cada vez que nuestro cuerpo genera calor, ese calor se pierde en el ambiente sin que nadie lo recoja. Cada vez que un router Wi-Fi transmite una señal, gran parte de esa energía electromagnética se dispersa por la estancia sin ser captada.

Estamos constantemente rodeados de pequeñas cantidades de energía que no utilizamos. La mayor parte desaparece sin que apenas reparemos en ella, sencillamente porque hasta ahora no ha existido la necesidad o una forma práctica de recuperarla.

El energy harvesting parte de una pregunta bastante sencilla: ¿y si pudiéramos capturar esa energía desperdiciada y convertirla en energía eléctrica útil?

¿Qué es la recolección de energía?

En esencia, el energy harvesting consiste en capturar energía que ya está presente en el entorno, o que de otro modo se desperdiciaría, y convertirla en energía eléctrica útil. Esa energía puede proceder de vibraciones, calor, movimiento, luz, ondas electromagnéticas o muchas otras fuentes.

El energy harvesting puede aplicarse a escalas muy diferentes. Los parques eólicos o las plantas solares están diseñados para generar enormes cantidades de electricidad capaces de abastecer ciudades enteras. Sin embargo, el término suele asociarse a la captación de cantidades muy pequeñas de energía, normalmente del orden de microvatios o milivatios, a partir de fuentes ya presentes en el entorno  (vibraciones, calor, movimiento u ondas electromagnéticas) con el objetivo de alimentar dispositivos igualmente pequeños: sensores, relojes, implantes médicos o etiquetas electrónicas.

La idea no es sustituir la red eléctrica, sino eliminar la necesidad de utilizar una batería, o de tener que reemplazarla, en lugares donde hacerlo resulta caro, incómodo o sencillamente imposible.

Tecnologías de energy harvesting

Las formas de capturar esa energía perdida varían mucho en función de su origen. Algunos materiales, por ejemplo, generan una pequeña carga eléctrica cuando se deforman mecánicamente, el llamado efecto piezoeléctrico, y este sencillo principio ya se ha utilizado en suelos experimentales de estaciones de tren o discotecas capaces de producir electricidad cada vez que alguien los pisa, e incluso en algunos tramos de carretera, donde se intenta aprovechar parte de las vibraciones generadas por el tráfico. Las cantidades obtenidas son modestas, pero suficientes, por ejemplo, para alimentar una señal luminosa cercana.

Algo similar ocurre con el calor. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos puntos de un material, se genera una pequeña corriente eléctrica gracias al efecto Seebeck. Este fenómeno permite que algunos relojes de pulsera funcionen de forma indefinida sin baterías, aprovechando la diferencia entre el calor corporal y la temperatura ambiente. A mayor escala, existen sensores industriales que se alimentan del calor residual de tuberías o maquinaria, sin necesidad de cableado externo.

El movimiento ofrece otra vía de aprovechamiento. El balanceo del brazo al caminar ya se utiliza para dar cuerda a determinados relojes mecánicos y alimentar algunos dispositivos de seguimiento de actividad, y esta misma idea se está explorando en dispositivos médicos implantables: si el propio latido del corazón pudiera suministrar parte de la energía necesaria para un marcapasos, se eliminaría uno de sus principales inconvenientes, la necesidad de someterse a una intervención quirúrgica cada pocos años únicamente para sustituir la batería.

Incluso el aire que nos rodea, lleno de señales de radio (Wi-Fi, redes móviles, radio o televisión), transporta energía, aunque en cantidades mínimas. Existen dispositivos capaces de captar parte de esa energía ambiental y convertirla en corriente suficiente para alimentar etiquetas RFID o sensores pasivos, sin batería y sin conexión directa a ninguna fuente de alimentación.

Y después está la luz, probablemente la forma de aprovechamiento energético más conocida, aunque rara vez pensemos en ella en estos términos: un panel solar no es, en esencia, más que un dispositivo que capta energía luminosa y la convierte en electricidad.

Es un buen recordatorio de que el concepto de recolección de energía, por novedoso que pueda parecer, lleva décadas entre nosotros en su forma más extendida.

Por qué la recolección de energía es cada vez más relevante

Todas estas tecnologías comparten una misma necesidad de fondo: la proliferación de pequeños sensores y dispositivos que requieren energía en lugares donde una batería supone un problema.

El auge del Internet de las Cosas implica potencialmente desplegar miles de millones de sensores (en edificios, carreteras, líneas de producción o incluso sobre el cuerpo humano), y pensar en sustituir sus baterías una a una resulta sencillamente inviable a esa escala.

El mantenimiento industrial predictivo, los edificios inteligentes, la monitorización estructural de puentes o túneles y los dispositivos médicos implantables comparten el mismo problema de fondo, y la recolección de energía es una de las soluciones más prometedoras que se están explorando para resolverlo.

Recolección de energía fotónica: la luz que viaja dentro de un chip

Todo lo anterior describe energía que se pierde a nuestra escala: pasos, calor corporal u ondas de radio en una habitación. Pero exactamente el mismo problema existe a una escala muchísimo menor, dentro de los propios circuitos fotónicos: chips por los que viaja luz en lugar de electricidad y en los que, al igual que ocurre con las pisadas o el calor, gran parte de esa luz se pierde por el camino sin que nadie la aproveche.

Ese es precisamente el terreno en el que trabajamos en BLOSSOM: explorar cómo aplicar esta misma lógica de aprovechamiento energético dentro de un circuito fotónico en miniatura, donde la fuente ya no es el movimiento o el calor, sino la propia luz que circula por el chip.

Al recuperar y reutilizar parte de la energía óptica que, de otro modo, se perdería, buscamos abrir nuevas posibilidades para desarrollar dispositivos integrados autoalimentados o capaces de gestionar su consumo energético de forma más eficiente.

La idea de fondo es la misma que hemos visto a lo largo de todo este recorrido: casi ninguna energía se pierde realmente; simplemente está esperando a que alguien encuentre la forma de aprovecharla.

Escrito por Anxo Rodríguez Martínez, Marta Castro López and Nuria Barros (Gradiant)  

Publicado originalmente en: https://blossomproject.eu/energy-harvesting-the-energy-we-let-escape-by-gradiant/ 

Referencias

Wakshume, D. G., & Płaczek, M. Ł. (2024). Optimizing Piezoelectric Energy Harvesting from Mechanical Vibration for Electrical Efficiency: A Comprehensive Review. Electronics, 13(5), 987.

Safaei, B., Erdem, S., Kolamroudi, M. K., & Arman, S. (2024). State-of-the-art review of energy harvesting applications by using thermoelectric generators. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 31(22), 5605–5637.

Shi & Liu, “Energy Harvesters and Self-Powered Sensors for Smart Electronics” (Micromachines, 2024).

Naifar et al., “Energy Harvesting Technologies and Applications for the Internet of Things and Wireless Sensor Networks” (Sensors, 2024)

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