Micropotencia

La microenergía describe el uso de generadores eléctricos muy pequeños y motores primarios o dispositivos para convertir calor o movimiento en electricidad, para su uso cerca del generador. ^{[ 1 ]} El generador suele estar integrado con dispositivos microelectrónicos y produce "varios vatios de potencia o menos". ^{[ 2 ]} Estos dispositivos ofrecen la posibilidad de una fuente de energía para dispositivos electrónicos portátiles que es más ligera y tiene un tiempo de funcionamiento más prolongado que las baterías.

Los componentes de cualquier motor de turbina  —el compresor de gas , la cámara de combustión y el rotor de la turbina—  se fabrican a partir de silicio grabado , de forma similar a los circuitos integrados . Esta tecnología promete una autonomía diez veces mayor que la de una batería del mismo peso que la unidad de micropotencia, y una eficiencia similar a la de las grandes turbinas de gas industriales . Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han logrado fabricar las piezas de una microturbina a partir de seis obleas de silicio grabadas y apiladas, y están trabajando para combinarlas en un motor funcional del tamaño aproximado de una moneda de veinticinco centavos de dólar estadounidense . ^{[ 3 ]}

Investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia (Georgia Tech) han construido un microgenerador de 10  mm de ancho que hace girar un imán sobre una matriz de bobinas fabricadas en un chip de silicio. El dispositivo gira a 100 000 revoluciones por minuto y produce 1,1 vatios de potencia eléctrica , suficiente para alimentar un teléfono móvil . Su objetivo es producir entre 20 y 50 vatios, suficientes para alimentar un ordenador portátil . ^{[ 4 ]}

Científicos de la Universidad de Lehigh están desarrollando un generador de hidrógeno en un chip de silicio que puede convertir metanol , diésel o gasolina en combustible para un micromotor o una pila de combustible en miniatura. ^{[ 5 ]}

El profesor Sanjeev Mukerjee, del departamento de química de la Universidad Northeastern, está desarrollando pilas de combustible para uso militar que quemarán hidrógeno para alimentar equipos electrónicos portátiles, como gafas de visión nocturna, ordenadores y equipos de comunicación. En su sistema, se utilizaría un cartucho de metanol para producir hidrógeno y alimentar una pequeña pila de combustible durante un máximo de 5000 horas. Sería más ligero que las baterías recargables necesarias para proporcionar la misma potencia, con una mayor autonomía. En el futuro, se podría mejorar y ampliar una tecnología similar para alimentar automóviles. ^{[ 6 ]}

El Consejo Nacional de Investigación de las Academias Nacionales recomendó en un informe de 2004 que el Ejército de los EE. UU. investigara dichas fuentes de microenergía para alimentar el equipo electrónico que llevarían los soldados en el futuro, ya que las baterías suficientes para alimentar las computadoras, los sensores y los dispositivos de comunicación añadirían un peso considerable a la carga de los soldados de infantería . ^{[ 7 ]}

El concepto Future Warrior del Ejército de los EE. UU. prevé una microturbina de 2 a 20 vatios alimentada por un hidrocarburo líquido que se utilizaría para alimentar equipos de comunicaciones y de calefacción/refrigeración portátiles durante un máximo de seis días con 10 onzas de combustible. ^{[ 8 ]}

El profesor Orest Symko del departamento de física de la Universidad de Utah y sus estudiantes desarrollaron la conversión de energía piezoeléctrica termoacústica (TAPEC), dispositivos de una pulgada cúbica (16 centímetros cúbicos), aproximadamente, que convierten el calor residual en resonancia acústica y luego en electricidad. Se utilizaría para alimentar sistemas microelectromecánicos, o MEMS. La investigación fue financiada por el Ejército de los EE. UU. Symko iba a presentar un artículo en la Sociedad Acústica de América . ^{[ 9 ]} 8 de junio de 2007. Investigadores del MIT desarrollaron el primer recolector de energía piezoeléctrica a microescala utilizando PZT de película delgada en 2005. ^{[ 10 ]} Arman Hajati y Sang-Gook Kim inventaron el dispositivo de recolección de energía piezoeléctrica a microescala de ancho de banda ultra ancho explotando la rigidez no lineal de un resonador de sistemas microelectromecánicos (MEMS) doblemente sujeto. La deformación por estiramiento en una viga doblemente empotrada muestra una rigidez no lineal, que proporciona una retroalimentación pasiva y da como resultado una resonancia de modo Duffing con rigidez de amplitud. ^{[ 11 ]}

El profesor Zhong Lin Wang del Instituto Tecnológico de Georgia afirmó que su equipo de investigadores había desarrollado un "generador a escala nanométrica  ... basado en matrices de nanocables de óxido de zinc alineados verticalmente que se mueven dentro de un electrodo de placa en "zigzag" . Integrado en zapatos, podría generar electricidad al caminar para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. También podría alimentarse mediante el flujo sanguíneo para alimentar dispositivos biomédicos. ^{[ 12 ]} Según un artículo sobre el dispositivo publicado en la revista Science , la flexión de las matrices de nanocables de óxido de zinc produce un campo eléctrico debido a las propiedades piezoeléctricas del material. Las propiedades semiconductoras del dispositivo crean una barrera Schottky con capacidad de rectificación . Se estima que el generador tiene una eficiencia del 17% al 30% en la conversión de movimiento mecánico en electricidad. Esto podría utilizarse para alimentar dispositivos biomédicos con capacidad de transmisión inalámbrica de datos y control. ^{[ 13 ]} Un desarrollo posterior consistió en cultivar cientos de estos nanocables en un sustrato que funcionaba como electrodo. Sobre este se colocó un electrodo de silicio cubierto con una serie de crestas de platino . La vibración del electrodo superior provocó la generación de corriente continua. ^{[ 14 ]} Un informe de Wang iba a aparecer en la edición del 8 de agosto de 2007 de la revista "Nano Letters", en el que afirmaba que tales dispositivos podrían alimentar dispositivos biomédicos implantables. El dispositivo se alimentaría mediante el flujo sanguíneo o los latidos del corazón. Podría funcionar mientras estuviera sumergido en fluidos corporales y obtendría su energía de vibraciones ultrasónicas. ^{[ 15 ]} Wang espera que una matriz de los dispositivos pueda producir 4 vatios por centímetro cúbico. ^{[ 16 ]} Los objetivos para el desarrollo futuro son aumentar la eficiencia de la matriz de nanocables y aumentar la vida útil del dispositivo, que en abril de 2007 era de solo una hora. ^{[ 17 ]} En noviembre de 2010, Wang y su equipo lograron producir 3 voltios de potencial y hasta 300 nanoamperios de corriente, un nivel de salida 100 veces mayor que el posible un año antes, a partir de una matriz que medía aproximadamente 2 cm por 1,5 cm. ^{[ 18 ]}  

El cinturón eólico es una tecnología de micropotencia inventada por Shawn Frayne. Es esencialmente un arpa eólica , con la diferencia de que aprovecha el movimiento de la cuerda producido por el aleteo aeroelástico para crear una oscilación física que puede convertirse en electricidad. Evita las pérdidas inherentes a los generadores eólicos rotativos. Los prototipos han producido 40 milivatios con un  viento de 16 km/h. Los imanes en la membrana vibrante generan corrientes en bobinas estacionarias. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Según una investigación del profesor Liwei Lin y su equipo de la Universidad de California, Berkeley, las nanofibras piezoeléctricas en la ropa podrían generar suficiente electricidad a partir de los movimientos corporales del usuario para alimentar pequeños dispositivos electrónicos, como iPods o algunos de los equipos electrónicos que utilizan los soldados en el campo de batalla . Un millón de estas fibras podrían alimentar un iPod y, en conjunto, tendrían el tamaño de un grano de arena. Investigadores de la Universidad de Stanford están desarrollando "eTextiles" —baterías hechas de tela— que podrían servir para almacenar la energía generada por esta tecnología. ^{[ 21 ]}  

La tecnología de resonadores térmicos permite generar energía a partir del cambio diario de temperatura, incluso cuando no hay una diferencia de temperatura instantánea como la necesaria para la generación termoeléctrica , ni luz solar como la necesaria para la generación fotovoltaica . Se selecciona un material de cambio de fase, como el octadecano , que puede pasar de sólido a líquido cuando la temperatura ambiente varía unos pocos grados Celsius. En un pequeño dispositivo de demostración creado por el profesor de ingeniería química Michael Strano y otros siete investigadores del MIT , un cambio diario de 10 grados Celsius produjo 350 milivoltios y 1,3 milivatios. Los niveles de potencia previstos podrían alimentar sensores y dispositivos de comunicación. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

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• Laboratorio de turbinas de gas del MIT
• El laboratorio de ZL Wang en el Instituto Tecnológico de Georgia.