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Los investigadores inventan un dispositivo ultrafino y autocargable que genera electricidad a partir de la humedad del aire

  • 31 de agosto de 2022
  • Publicado por: Juan Manuel
  • Categoría: novedades
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Esta “batería” recargable de tipo textil proporciona una mayor potencia eléctrica que una pila AA convencional

 

Imagina poder generar electricidad aprovechando la humedad del aire que te rodea con elementos tan cotidianos como la sal marina y un trozo de tela, o incluso alimentar los aparatos electrónicos de uso diario con una batería no tóxica y tan fina como el papel. Un equipo de investigadores de la Facultad de Diseño e Ingeniería (CDE) de la Universidad Nacional de Singapur ha desarrollado un nuevo dispositivo de generación de electricidad a partir de la humedad (MEG) hecho con una fina capa de tela -de unos 0,3 milímetros (mm) de grosor-, sal marina, tinta de carbono y un gel especial que absorbe el agua.

El concepto de los dispositivos MEG se basa en la capacidad de distintos materiales para generar electricidad a partir de la interacción con la humedad del aire. Esta área ha recibido un interés creciente debido a su potencial para una amplia gama de aplicaciones en el mundo real, incluyendo dispositivos autoalimentados como la electrónica portátil como monitores de salud, sensores electrónicos de la piel y dispositivos de almacenamiento de información.

Entre los principales retos de las actuales tecnologías de MEG se encuentran la saturación de agua del dispositivo cuando se expone a la humedad ambiental y un rendimiento eléctrico insatisfactorio. Así, la electricidad generada por los dispositivos MEG convencionales es insuficiente para alimentar dispositivos eléctricos y tampoco es sostenible.

Para superar estos problemas, un equipo de investigación dirigido por el profesor adjunto Tan Swee Ching, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales del CDE, ideó un novedoso dispositivo de MEG que contiene dos regiones de propiedades diferentes para mantener perpetuamente una diferencia en el contenido de agua entre las regiones, a fin de generar electricidad y permitir la producción eléctrica durante cientos de horas.

Este avance tecnológico se publicó en la versión impresa de la revista científica Advanced Materials el 26 de mayo de 2022.

Una “batería” de tela duradera y autocargable

El dispositivo MEG del equipo de la NUS consiste en una fina capa de tejido recubierta de nanopartículas de carbono. En su estudio, el equipo utilizó un tejido disponible en el mercado hecho de pulpa de madera y poliéster.

Una región del tejido está recubierta con un hidrogel iónico higroscópico, y esta región se conoce como la región húmeda. Fabricado con sal marina, el gel especial que absorbe el agua puede absorber más de seis veces su peso original, y se utiliza para recoger la humedad del aire.

“Se eligió la sal marina como compuesto absorbente de agua debido a sus propiedades no tóxicas y a su potencial para ofrecer una opción sostenible a las plantas desalinizadoras para eliminar la sal marina y la salmuera generadas”, compartió el profesor adjunto Tan.

El otro extremo del tejido es la región seca, que no contiene una capa de hidrogel iónico higroscópico. Así se garantiza que esta región se mantenga seca y el agua quede confinada en la región húmeda.

Una vez montado el dispositivo MEG, se genera electricidad cuando los iones de la sal marina se separan al absorber el agua en la región húmeda. Los iones libres con carga positiva (cationes) son absorbidos por las nanopartículas de carbono que tienen carga negativa. Esto provoca cambios en la superficie del tejido, generando un campo eléctrico a través de él. Estos cambios en la superficie también confieren al tejido la capacidad de almacenar electricidad para su uso posterior.

Mediante un diseño único de regiones húmedas y secas, los investigadores de la NUS lograron mantener un alto contenido de agua en la región húmeda y un bajo contenido de agua en la región seca. De este modo, se mantiene la producción eléctrica incluso cuando la región húmeda está saturada de agua. Después de dejarlo en un entorno húmedo abierto durante 30 días, el agua seguía manteniéndose en la región húmeda, lo que demuestra la eficacia del dispositivo para mantener la producción eléctrica.

“Gracias a esta estructura asimétrica única, el rendimiento eléctrico de nuestro dispositivo MEG ha mejorado significativamente en comparación con las tecnologías MEG anteriores, lo que permite alimentar muchos dispositivos electrónicos comunes, como monitores de salud y dispositivos electrónicos portátiles”, explicó el profesor adjunto Tan.

El dispositivo MEG del equipo también demostró una gran flexibilidad y fue capaz de soportar la tensión de la torsión, el enrollamiento y la flexión. Los investigadores demostraron su extraordinaria flexibilidad doblando el tejido en forma de grúa de origami, lo que no afectó al rendimiento eléctrico general del dispositivo.

Fuente de alimentación portátil y más

El dispositivo MEG tiene aplicaciones inmediatas gracias a su facilidad de escalabilidad y a las materias primas disponibles en el mercado. Una de las aplicaciones más inmediatas es su uso como fuente de energía portátil para alimentar aparatos electrónicos directamente con la humedad ambiental.

“Tras la absorción de agua, un trozo de tejido generador de energía de 1,5 por 2 centímetros puede proporcionar hasta 0,7 voltios (V) de electricidad durante más de 150 horas en un entorno constante”, explica el Dr. Zhang Yaoxin, miembro del equipo de investigación.

El equipo de la NUS también ha demostrado con éxito la escalabilidad de su nuevo dispositivo en la generación de electricidad para diferentes aplicaciones. El equipo de la NUS conectó tres piezas del tejido generador de energía y las colocó en una caja impresa en 3D del tamaño de una pila AA estándar. Se comprobó que el voltaje del dispositivo ensamblado alcanzaba hasta 1,96 V -más alto que el de una pila AA comercial de unos 1,5 V-, lo que es suficiente para alimentar pequeños dispositivos electrónicos como un reloj despertador.

La escalabilidad de la invención de la NUS, la conveniencia de obtener materias primas comerciales y el bajo coste de fabricación, de unos 0,15 dólares por metro cuadrado, hacen que el dispositivo de MEG sea adecuado para la producción en masa.

“Nuestro dispositivo muestra una excelente escalabilidad a un bajo coste de fabricación. En comparación con otras estructuras y dispositivos de MEG, nuestra invención es más sencilla y fácil para ampliar las integraciones y conexiones. Creemos que es muy prometedor para su comercialización”, dijo el profesor Tan.

Los investigadores han solicitado la patente de la tecnología y están planeando explorar posibles estrategias de comercialización para aplicaciones en el mundo real.

 

Fuente: Química.es

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