Recarga con energía de las olas de generadores electrostáticos

Una clave para acceder a la energía limpia del océano, al menos una pequeña parte de ella, puede residir en la electricidad estática. Un equipo de investigación en Portugal ahora lo ha utilizado con éxito para hacer funcionar pequeños generadores dentro de una boya de navegación, alimentando los sensores y las luces que usa la boya para recopilar datos y ayudar a los marineros. Aunque el proyecto ha sido pequeño hasta ahora, los investigadores dicen que es una importante prueba de concepto que podría complementar los intentos existentes para aprovechar el poder de las olas, así como otros tipos de movimiento natural.

El océano es un objetivo atractivo para la generación de energía renovable. Solo las olas generan 32 000 teravatios-hora de energía natural al año; como referencia, el mundo usa alrededor de 23 000 teravatios-hora al año. También está el poder de las corrientes, las mareas y la energía térmica. Pero a pesar de décadas de investigación, el movimiento del océano ha demostrado ser rebelde. Los patrones de las olas son impredecibles, el agua de mar corroe la maquinaria metálica que genera energía y la energía de las olas se dispersa en tres dimensiones simultáneamente (arriba y abajo, adelante y atrás, izquierda y derecha).

Debido en parte a estos desafíos, la producción de energía de varios proyectos nacientes de energía undimotriz a gran escala se ha quedado atrás de los pronósticos. En cambio, los investigadores portugueses se han centrado en algo más pequeño y manejable: impulsar las boyas de navegación, que a menudo contienen luces para guiar a los barcos y sensores para monitorear las condiciones del océano. El equipo recurrió a los llamados nanogeneradores triboeléctricos, o TENG, que usan electricidad estática para convertir el movimiento en corriente eléctrica, el mismo principio que se usa para frotar un globo sobre un suéter para generar una carga eléctrica. El núcleo de cada TENG tiene dos superficies con un área de solo unos pocos centímetros cuadrados, que pueden cargarse fácilmente de forma positiva o negativa. En las dos superficies apiladas, los investigadores colocaron 10 bolas de acero inoxidable, de unos 12 milímetros de diámetro, que podían moverse libremente. Cuando se inclina su recipiente, la pelota rueda y frota las dos superficies. Esto crea una carga estática que se puede convertir en electricidad para alimentar la batería.

«Desarrollamos estos novedosos dispositivos que convierten la energía rítmica y mecánica en energía eléctrica», dice Cátia Rodrigues, PhD en nanotecnología. Estudiante en la Universidad de Oporto, Portugal. La semana pasada, hizo una presentación sobre la boya impulsada por olas de su equipo en la conferencia en línea del Instituto Estadounidense de Física. “Estos dispositivos son económicos, logran altas densidades de potencia [with] Alta eficiencia», dijo Rodríguez, y agregó que TENG continuó funcionando bien incluso cuando las olas eran pequeñas y poco frecuentes.

Los TENG pueden generar energía a partir de cualquier forma de movimiento, pero Rodrigues y sus colaboradores se han centrado en probar varios prototipos de TENG para optimizarlos para condiciones de olas específicas. En su prueba más reciente, ella y sus colegas querían ver qué configuración produciría la mayor potencia de manera más consistente: colocando todas las bolas en un recipiente circular con forma de cuenco poco profundo, o como un nadador para cada bola. Cada bola crea una «pista» separada. «. Calzada de la piscina.

Trabajando en un laboratorio de hidráulica en la Universidad de Oporto, el equipo probó el diseño de un TENG incrustado en una octava réplica de una boya oceánica. Colocaron el modelo en una piscina de olas y simularon cinco de los patrones de olas más comunes que se ven en el puerto cerca de Figueira da Fos, Portugal.

TENG fue inventado en 2012 por un investigador del Instituto de Tecnología de Georgia. El nuevo estudio marca la primera vez que se prueban en condiciones de olas tan realistas, dijo Rodríguez. Fue un éxito: el diseño TENG de carril de natación produjo una salida máxima de 230 microvatios, suficiente para alimentar dispositivos pequeños como implantes médicos. También convierte la energía de manera más consistente en diferentes condiciones de olas que un diseño en forma de cuenco. Rodrigues dijo que la producción podría aumentarse incorporando múltiples TENG o agregando nanopartículas a la superficie debajo de las esferas de metal, aumentando así la capacidad del material para acumular carga.

Andrew Hamilton, presidente de ingeniería del Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey en California, que no participó en el nuevo trabajo, dijo que TENG podría proporcionar soluciones a problemas clave que han obstaculizado otras tecnologías de energía oceánica. El océano, dice, es un sistema de alta intensidad y baja velocidad: contiene mucha energía, pero esa energía está ampliamente distribuida. Como resultado, los generadores rotativos convencionales a menudo requieren más energía de la que puede proporcionar una pequeña porción de océano, y otros intentos de desarrollar boyas impulsadas por olas han fallado. El propio proyecto de boyas de la Bahía de Monterey utiliza la diferencia de movimiento entre la superficie del agua y una plataforma suspendida a decenas o cientos de metros por debajo para generar electricidad. Pero para trabajar en profundidad, esto requiere un cable largo que pueda resistir el daño de las olas rompientes y las corrientes submarinas. En 2017, una boya de navegación en la India se propulsó con un sistema de columna de agua oscilante: las olas llenan y vacían alternativamente los compartimentos parcialmente sumergidos, acelerando el aire dentro y fuera de la columna de agua. El aire que fluye rápidamente hace girar una turbina para generar electricidad. Pero este método produce ruidos fuertes potencialmente problemáticos y solo aprovecha el movimiento vertical de las olas.

El pequeño tamaño de TENG ayuda a evitar ambas trampas. Su tamaño compacto es uno de sus puntos fuertes, dijo Rodrigues, lo que permite a los investigadores combinar fácilmente el TENG con otros métodos de generación de electricidad, como paneles solares o diferentes tipos de colectores de energía de las olas. Basándose en el éxito de sus pruebas con piscinas de olas, los investigadores planean modificar su prototipo TENG e instalarlo en una boya a escala real en Figueira da Foz. Hamilton señaló que las pruebas en alta mar podrían presentar desafíos que no se pueden simular en una piscina de olas. «Cualquier cosa que diseñe para su uso durante todo el año en el océano, debe diseñarla para una tormenta que, estadísticamente, puede ocurrir cada 100 años», dijo. Con el tiempo, explicó, esta impermeabilización extrema a menudo hace que el equipo sea más voluminoso, menos maniobrable y menos duradero, ya que el área de superficie aumentada brinda más oportunidades de desgaste.

Rodríguez no tenía miedo. Ella dijo que está estudiando cómo funcionan los TENG no solo en el océano, sino también en otras «condiciones duras», incluso cuando se colocan en pozos de extracción de agua subterránea y se cosen en plantillas. Estas amplias aplicaciones son la razón por la que espera ver TENG «en todas partes» en el futuro.