Antena rectenna convierte señal WiFi en energía eléctrica
Investigadores del MIT y la UPM desarrollan una antena flexible de disulfuro de molibdeno que captura energía de redes WiFi para alimentar sensores IoT.
La transmisión de energía eléctrica a través del aire fue una de las ideas patentadas por Nikola Tesla hace más de un siglo. Actualmente, investigadores de universidades de EE. UU. y España han logrado capturar la energía contenida en las señales WiFi y convertirla en electricidad. Utilizando un nanomaterial de solo tres átomos de espesor, han diseñado una antena capaz de transformar ondas electromagnéticas en corriente continua.
Aunque la potencia obtenida se mantiene en el rango de los microvatios, la flexibilidad mecánica del material y la omnipresencia de las señales electromagnéticas necesarias para la conectividad, acercan la posibilidad de una electrónica ubicua. Este avance permite imaginar un futuro donde se pueda obtener electricidad de cada señal inalámbrica disponible en el ambiente.
Principio de funcionamiento de la rectenna
“Toda radiación electromagnética contiene energía”, explica el profesor Tomás Palacios, de ingeniería eléctrica e informática del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). “No es muy diferente de la luz solar, solo cambia la frecuencia que, en el WiFi, es mucho más baja”, añade el responsable del Grupo de Materiales y Dispositivos Semiconductores Avanzados del MIT y coautor de esta investigación.
Los científicos han creado un dispositivo capaz de capturar la energía que utilizan las señales WiFi para transmitir datos. Dado que esta señal se propaga en todas direcciones, gran parte de ella se pierde si no tiene un destino específico. Para aprovecharla, los investigadores desarrollaron una antena rectificadora, conocida como "rectenna".
Esta antena recibe la radiación emitida por routers, puntos de acceso y cualquier dispositivo con WiFi, como portátiles, televisores o móviles, operando en las bandas de 2.4 y 5.6 GHz. El desafío técnico radica en que esta energía ambiental llega a la antena como corriente alterna y debe ser rectificada.
“Es como una pila que cambia de polaridad continuamente. Para alimentar los circuitos electrónicos necesitamos un voltaje constante”, aclara Palacios.
Innovación con disulfuro de molibdeno (MoS2)
Para lograr la conversión a corriente continua, el equipo diseñó un diodo utilizando un material con propiedades físicas, mecánicas y eléctricas distintas al grafeno y al disulfuro de molibdeno (MoS2) tradicional. Aunque el grafeno tiene un grosor de un átomo, el MoS2 tiene tres, lo que les otorga una flexibilidad imposible de alcanzar con el silicio o el arseniuro de galio.
A diferencia del grafeno, que no es semiconductor, el MoS2 sí lo es, lo que amplía sus posibilidades en el campo de la electrónica. En la antena rectificadora desarrollada, la energía captada llega como corriente alterna al ánodo (hecho de paladio) y sale con polaridad constante por el cátodo (de oro).
El disulfuro de molibdeno actúa a una velocidad ideal para las altas frecuencias del WiFi. “Nos permite crear un diodo lo suficientemente rápido como para rectificar hasta en la banda de los 10 GHz”, comenta Jesús Grajal de la Fuente, profesor del grupo de microondas y radar de la Universidad Politécnica de Madrid y coautor de la investigación.
Aplicaciones en electrónica flexible e IoT
La clave del dispositivo es su enorme flexibilidad. “Frente al MoS2, el silicio es un ladrillo”, señala Palacios. Esta característica permite cubrir superficies extensas, como paredes o edificios, con sensores que se alimentan de la energía del ambiente, sin depender de baterías rígidas o enchufes.
“¿Y si fuéramos capaces de desarrollar sistemas electrónicos que pudiéramos desplegar a lo largo de un puente o cubrir toda una autopista o las paredes de nuestras oficinas? ¿De dónde sacarías la energía para tanta electrónica?”, pregunta Palacios. La respuesta reside en conectar estos dispositivos directamente a la energía inalámbrica ambiental.
Es importante notar que la potencia de la señal WiFi es muy baja, aproximadamente 100 microvatios, lo que equivale a 100,000 veces menos potencia de la requerida para encender una bombilla LED. Por ello, no es viable cargar dispositivos de alto consumo como portátiles con esta tecnología actual.
Sin embargo, esta potencia es suficiente para alimentar sensores de todo tipo. “Ahora, la electrónica está limitada a objetos macroscópicos. En el futuro será ubicua. Estará en la ropa que llevemos, dentro de nosotros, en los edificios... y aprovechará la energía del ambiente”, sostiene el profesor español del MIT.
Ing. David Quezada
Product Manager | SYSCOM®
Mail: david.quezada@syscom.mx