Adiós a los cables…
Un equipo del MIT demuestra experimentalmente la transferencia inalámbrica de energía, potencialmente útil para la alimentación sin cables de ordenadores portátiles y teléfonos móviles
Imagina un futuro en el que la transferencia inalámbrica de energía es viable: los teléfonos móviles, los robots domésticos, reproductores de mp3, ordenadores portátiles y otros productos electrónicos portátiles capaces de cargarse sin siquiera haber sido conectados a la corriente, ahorrándonos el hacerlo, el poder omnipresente del cable. Algunos de estos dispositivos ni siquiera necesitan sus voluminosas baterías para funcionar.
Un equipo del MIT del Departamento de Física, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, y el Instituto de Nanotecnologías Soldado (ISN) ha demostrado experimentalmente un paso importante hacia el cumplimiento de esta visión de futuro.
Los miembros del equipo son Andre Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, el profesor Peter Fisher, y el Profesor John Joannopoulos (Francis Davis Wright Presidente y director de ISN), liderado por el profesor Marin Soljacic.
Conscientes de su reciente predicción teórica, fueron capaces de encender una bombilla de 60W desde una fuente de alimentación situada a siete pies de distancia (más de dos metros): no había ninguna conexión física entre la fuente y el dispositivo. El equipo del MIT se refiere a su concepto como “WiTricity” o “WiTricidad” (como en la electricidad inalámbrica). El trabajo se informó en su número de junio de Ciencia Express, la publicación anticipada en línea de la revista Science.
Pitidos a altas horas de la noche
La historia comienza una noche hace unos años, con Soljacic (pronunciado Soul-ya-cheech) de pie en pijama, mirando a su teléfono móvil en la cocina. “Probablemente fue la sexta vez en ese mes que me despertaba el pitido de mi teléfono móvil para hacerme saber que me había olvidado cargarlo. Se me ocurrió que sería genial si el aparato se hiciera cargo de su propia recarga”. Para que eso fuera posible, habría que tener una manera de transmitir energía sin cables, de modo que Soljacic empezó a pensar acerca de los fenómenos físicos que podrían contribuir a que este deseo en una realidad.
Métodos de radiación
Diversos métodos de transmisión inalámbrica de energía se han conocido durante siglos. Quizás el ejemplo más conocido es la radiación electromagnética, como las ondas de radio. Si bien esta radiación es excelente para transmisión inalámbrica de información, no es posible utilizarla para la transmisión de energía. Dado que la radiación se propaga en todas las direcciones, la gran mayoría terminaría siendo desperdiciada en el espacio libre.
Uno se puede imaginar la utilización de la radiación electromagnética dirigida, como el láser, pero esto no es muy práctico e incluso puede ser peligroso. Se requiere una línea de visión ininterrumpida entre la fuente y el dispositivo, así como un sofisticado mecanismo de seguimiento cuando el dispositivo es móvil.
La clave: resonancia acoplada magneticamente
En cambio, la WiTricidad se basa en la utilización de objetos resonantes acoplados. Dos objetos resonantes de la misma frecuencia resonante tienden a intercambiar energía de manera eficiente, a la vez que interactúan débilmente con los objetos extraños no resonantes. Un niño en un columpio, es un buen ejemplo de ello. Un columpio es un tipo de resonancia mecánica, de modo que sólo cuando el niño hace fuerza con sus piernas en la frecuencia de la oscilación del columpio es capaz de impartir energía sustancial.
Otro ejemplo involucra resonancias acústicas: Imaginemos una habitación con 100 vasos de vino idénticos, cada uno de ellos lleno de vino hasta un nivel diferente, por lo que todos tienen diferentes frecuencias de resonancia. Si un cantante de ópera canta una sola nota suficientemente fuerte en el interior de la habitación, el vaso de la frecuencia correspondiente podría acumular suficiente energía para explotar, mientras que no afectaría a los demás cristales. En cualquier sistema de resonadores acoplados suele haber un llamado “muy acoplado” régimen de funcionamiento. Si se asegura actuar de esta manera en un sistema dado, la transferencia de energía puede ser muy eficiente.
Si bien estas consideraciones son universales, aplicables a todos los tipos de resonancias (por ejemplo, acústica, mecánica, electromagnética, etc), el equipo del MIT se centró en un tipo particular: resonancias acopladas magnéticamente. El equipo exploró un sistema electromagnético de dos resonadores acoplados principalmente a través de sus campos magnéticos, que pudieron identificar el régimen firmemente unido en este sistema, incluso cuando la distancia entre ellos es varias veces mayor que el tamaño de los objetos resonantes. De esta manera, la transferencia eficiente de energía fue posible.
El acoplamiento magnético es particularmente adecuado para aplicaciones cotidianas más comunes, porque los materiales sólo interactúan muy débilmente con los campos magnéticos, de modo que las interacciones con objetos extraños son aún más reprimidas. “El hecho de que los campos magnéticos interactúan de manera débil con organismos biológicos también es importante para las consideraciones de seguridad”, señala Kurs, un estudiante graduado en física.
El investigado diseño consta de dos bobinas de cobre, cada uno un sistema de auto-resonante. Una de las bobinas, que se adjunta a la fuente de energía, es el envío de la unidad. En lugar de irradiar el entorno con ondas electromagnéticas, que llena el espacio a su alrededor con un no radiativo campo magnético oscilante MHz en las frecuencias. El campo de radiación no medie el intercambio de energía con el resto de la bobina (la unidad receptora), que están especialmente diseñados para resonar con el campo. El resonante naturaleza del proceso asegura la fuerte interacción entre la unidad y el envío de la unidad receptora, mientras que la interacción con el resto del entorno es débil.
Moffatt, un pregrado en física del MIT, explica: “La ventaja esencial de la utilización de la radiación del campo no reside en el hecho de que la mayor parte de la energía no recogida por la bobina receptora permanecerá vinculado a la vecindad de la unidad de origen, en lugar de ser Radiada en el medio ambiente y la pérdida “. Con tal diseño, la transferencia de poder tiene un alcance limitado, y el conjunto sería más corto para los receptores de menor tamaño.
Sin embargo, para portátil de tamaño bobinas, los niveles de potencia más que suficiente para ejecutar un portátil se pueden transferir más de sala de tamaño distancias casi omni-direccional y eficiente, con independencia de la geometría del espacio circundante, incluso cuando los objetos del medio ambiente obstruir por completo la línea - De visión entre las dos bobinas. Fisher señala: “Siempre que el portátil se encuentra en una sala equipada con una fuente de este tipo de energía inalámbrica, se carga automáticamente, sin tener que estar conectado pulg De hecho, ni siquiera necesita una batería para funcionar dentro de este tipo Una habitación. ” A la larga, esto podría reducir la dependencia de nuestra sociedad, relativa a las pilas, que en la actualidad pesados y costosos.
A primera vista, esta transferencia de poder se asemeja a la del relativamente común inducción magnética, como se usa en los transformadores de energía, que contienen bobinas que poder transmitir a los demás lo largo de distancias muy cortas. Una corriente eléctrica corriendo en un envío de bobina induce otra corriente en una bobina receptora. Las dos bobinas están muy cerca, pero no tocar. Sin embargo, este comportamiento cambia dramáticamente cuando la distancia entre las bobinas se incrementa. Como Karalis, un estudiante graduado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, señala, “Aquí es donde la magia de la resonante acoplamiento. La costumbre no resonante inducción magnética sería casi 1 millón de veces menos eficiente en este sistema en particular.”
Física antigua, nueva demanda
WiTricity tiene sus raíces en tan conocidos leyes de la física que hace que uno se pregunte por qué nadie pensó en él antes. “En el pasado, no había gran demanda de un sistema de este tipo, así que la gente no tenía una fuerte motivación para estudiar”, señala Joannopoulos, y agrega: “En los últimos años, dispositivos electrónicos portátiles, tales como computadoras portátiles, Teléfonos celulares, iPods e incluso robots domésticos se han convertido en un fenómeno generalizado, todo lo cual requiere baterías que deben recargarse con frecuencia. ”
En cuanto a lo que depara el futuro, Soljacic añade: “Una vez, cuando mi hijo tenía alrededor de tres años, sus abuelos que visitamos la casa. Tenían un joven de 20 años de teléfono y mi hijo tomó el auricular, preguntando, ‘papá , ¿Por qué es este modelo de teléfono con un cable que se adjunta a la pared? ” Esa es la mentalidad de un niño creciendo en un mundo inalámbrico. Mi mejor respuesta fue, “Es extraño e incómodo, ¿no? De esperar, vamos a deshacerse de algunos más cables, baterías y también, muy pronto.” ”
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército (Instituto de Nanotecnologías Soldado), la Fundación Nacional de Ciencias (Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales), y el Departamento de Energía.
Fuente: MIT news (en inglés)
Traducción: witricidad