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Transmisión de Energía a través de Ondas (Inalámbrico) (EL010S)

La idea de eliminar las líneas físicas también en la transmisión de energía, como ya estamos haciendo con la transmisión de datos es un sueño de la tecnología. Sin embargo, hay varios obstáculos a ser vencidos y uno de ellos es que la potencia con que se desea trabajar implica muchos elementos de seguridad. En este artículo se hace lo que se está haciendo y lo que todavía se puede hacer a pequeña escala.

Uno de los pioneros a pensar en la posibilidad de transmitir energía sin necesidad de cables fue Nicola Tesla. Hace más de un siglo Tesla creía que la electricidad, a través de las inmensas chispas que producía en su laboratorio podía ser llevada a grandes distancias sin la necesidad de hilos.

 

Figura 1- Patente de Tesla describiendo un modo de transmitir energía inalámbrica.
Figura 1- Patente de Tesla describiendo un modo de transmitir energía inalámbrica.

 

 

En 1899 Tesla probó un sistema que pretendía transmitir energía a través de toda la tierra. Él creía que esas muñecas podían transmitir energía sin pérdidas.

Sin embargo, incluso después de eso y de muchas investigaciones involucrando aplicaciones militares, pocos avances ocurrieron en esa tecnología. En realidad, la transmisión de energía debe tener dos enfoques diferentes al ser analizada, conforme buena documentación que encontramos en Internet.

Uno de los enfoques consiste en transmitir energía banda estrecha de frecuencias. Esto normalmente ocurre en los sistemas de radiocomunicaciones, ya que con la concentración de energía podemos reducir el ruido, rechazar más fácilmente señales interferentes y también usar antenas direccionales.

Podemos más fácilmente concentrar la energía en una dirección y recibirla con menores pérdidas.

Otra manera sería utilizar lo que se denomina UWB (Ultra Wide Band) o banda ultra ancha. En esta tecnología se explora una banda más amplia de frecuencias mejorando así el rendimiento del sistema. Este enfoque también puede hacerse en el caso de la transmisión de energía.

Así, se esparce la energía por diversas frecuencias que entonces deben ser captadas y su energía cosechada para uso.

Algunas empresas ya disponen de pequeños sistemas que transmiten energía a corta distancia a la carga de teléfonos móviles, eliminando así la necesidad de conexiones físicas entre el cargador y el celular. En este caso, la energía se transfiere por RF, como en el modelo de la figura 2.

 

Figura 2 - Dos cargadores inalámbricos inalámbricos
Figura 2 - Dos cargadores inalámbricos inalámbricos

 

 

Pero no es sólo a través de señales de radio que la energía se puede transferir de un lugar a otro sin necesidad de cables. Las siguientes son las formas posibles de transmitir energía inalámbrica con sus ventajas, peligros y limitaciones.

 

Inducción magnética

Este proceso, también denominado inducción electrodinámica, hace uso de bobinas y un campo magnético de baja frecuencia. Se trata exactamente del mismo principio de funcionamiento de los transformadores y ya utilizado en los chips RFID (Identificación por radio frecuencia).

En una bobina (primario) aplicamos la energía que debe ser transmitida y en sus proximidades colocamos una bobina receptora o secundaria, como muestra la figura 3.

 

Figura 3 - Transmisión por inducción
Figura 3 - Transmisión por inducción

 

 

El rendimiento de este sistema dependerá de la cantidad de líneas del campo creado por el primario que puede atravesar las espiras del secundario. Se puede percibir que el esparcimiento natural de las líneas de inducción hace que el rendimiento del sistema caiga rápidamente a medida que las dos bobinas se separan.

También influyen en las pérdidas la resistencia de los elementos del circuito que disipan parte de la energía en la forma de calor.

Se puede mejorar el desempeño del sistema con el uso de formas de onda no senoidales y aún con el uso de sistemas resonantes en la recepción.

Este proceso funciona, por lo tanto, sólo en cortas distancias e incluso con rendimiento bajo. Es lo que ocurre con los chips RFID cuyos radios de acción están limitados a pocos metros, si tanto.

Altas potencias pueden significar la creación de campos peligrosos para los humanos. Estos mismos campos pueden generar corrientes de torbellino en objetos de metal cercanos.

En la práctica este sistema está siendo utilizado en cargadores de celulares inalámbricos, donde la distancia entre la bobina transmisora ??(en el cargador) y la bobina receptora (en el celular) es de apenas unos milímetros.

Otra aplicación es en electrónica médica donde un transmisor en el bolsillo del paciente transmite energía a un dispositivo implantado bajo la piel.

 

Las ventajas:

• Excelente para uso en distancias muy cortas con baja potencia

• Facilidad de implementación

 

Desventajas:

• Alcance

• Peligroso cuando se intenta transmitir alta potencia

• Dificultad para concentrar la energía transmitida

 

Inducción Electrostática

Otra manera de indicar este tipo de transmisión de energía es como "acoplamiento capacitivo". De hecho, aplicamos energía en una de las armaduras de un capacitor y la recogemos en la otra. De esta forma, el medio que las separa (dieléctrico) puede ser un objeto de material aislante o el propio aire.

Nicola Tesla demostró esta forma de transmisión de energía colgando dos placas metálicas. En una de ellas aplicó un campo alternado de alta frecuencia que indujo en la otra energía suficiente para encender dos lámparas de gas. La figura 4 muestra el experimento.

 

Figura 4 - La transmisión capacitiva experimental de energía de Tesla
Figura 4 - La transmisión capacitiva experimental de energía de Tesla

 

 

En esta modalidad de transmisión podemos decir que la energía es transferida por un campo eléctrico a través del dieléctrico. Los problemas inherentes a esta tecnología son similares a los que ocurre en la transmisión inductiva.

Las líneas de fuerza del campo eléctrico se dispersan con facilidad de modo que para obtener un campo uniforme, donde todas las líneas de fuerza que salen de una de las placas llegan a la otra sería difícil para distancias mayores que algunos centímetros, como muestra la figura 5.

 

Figura 5 - Campo uniforme
Figura 5 - Campo uniforme

 

 

En la práctica este sistema sólo funciona con pequeñas cantidades de energía transmitida a cortas distancias.

 

Ventajas:

• Simple de implementar

• No causa interferencias eléctricas

 

Desventajas:

• Sólo eficiente en distancias cortas

• Limitado a pequeñas potencias

 

Radiación electromagnética

En este caso incluimos las ondas de radio, la radiación infrarroja, la luz e incluso otras formas de menor longitud de onda.

Para el caso de las ondas electromagnéticas de la banda de radio, tenemos los casos que ya discutimos al principio de usar banda ancha o banda estrecha con ventajas y desventajas. Sin embargo, no son sólo las bandas de frecuencias de radio que podemos usar.

La radiación infrarroja, por ejemplo, puede ser empleada a cortas distancias así como las microondas, pues pueden ser dirigidas de forma relativamente simple, posibilitando la transmisión en cantidades razonables.

El sistema sería entonces formado por una antena transmisora que enviaría la energía a una antena (o más) receptora a cierta distancia. La capacidad de concentración de la energía de la transmisora y la eficiencia de la antena receptora determinarían la eficiencia del sistema, como sugiere la figura 6.

 

Figura 6 - No toda la energía puede ser captada por una antena, como sugiere la figura
Figura 6 - No toda la energía puede ser captada por una antena, como sugiere la figura

 

Este sistema operaría en cortos rayos de acción y tiene algunos inconvenientes que involucra seguridad. Como sabemos la potencia elevada de algunas emisoras de radio y TV en sus transmisores son lo suficientemente altas para poner en riesgo la salud de las personas.

En un sistema de este tipo que trabajara con grandes potencias concentradas habría el peligro de alguien pasar inadvertidamente por el haz, sometiéndose a un elevado nivel de radiación.

Una posibilidad interesante de utilizar este medio sería usar emisoras de microondas altamente direccionales para enviar energía a satélites, y también al revés. Generar energía en el espacio a través de gigantescos paneles solares y enviar a la tierra a través de microondas, como muestra la figura 7.

Según la NASA, el problema de la difracción de las señales hace que sea necesaria una antena transmisora ??de 1 km de diámetro y una estación receptora de 10 km de diámetro para obtener la eficiencia deseada para operación de un satélite.

 

Figura 7 - En esa imagen de la NASA tenemos una alegoría que muestra un satélite dotado de paneles solares y antenas de microondas que enviarían a la tierra la energía generada.
Figura 7 - En esa imagen de la NASA tenemos una alegoría que muestra un satélite dotado de paneles solares y antenas de microondas que enviarían a la tierra la energía generada.

 

 

La limitación técnica principal de este sistema está en la difracción que dispersa la energía a medida que nos alejamos de la fuente emisora y esto es válido para el láser, aunque en una escala menor.

Las tecnologías modernas podrían concentrar un láser emitido desde la Luna en un radio de charcos cientos de metros, donde se montar el detector (células).

De esta forma, el láser sería una forma de utilizar la energía electromagnética de una forma eficiente para la transmisión de energía. Por ejemplo, paneles solares en la superficie de la Luna generaría energía que sería enviada a la tierra por un haz cuidadosamente enfocado sobre paneles receptores aquí en la tierra. Arthur Clarke en su libro Las Fuentes del Paraíso habla de un ascensor que recibiría energía a través de un haz de LASER, conforma muestra la figura 8.

 

 

Figura 8 - Libro de Clarke que prevé el uso del láser en la transmisión de energía.
Figura 8 - Libro de Clarke que prevé el uso del láser en la transmisión de energía.

 

Con nuevas tecnologías siendo creadas día a día la capacidad de concentración y recepción de microondas hoy ya se aproxima a la obtenida con el LASER. Así, para aplicaciones en esa banda del espectro se desarrolló la rectenna o antena rectificadora. Esta antena puede alcanzar un 95% de eficiencia en el rango de microondas.

Como muestra la figura 9, la rectenna consiste en una antena que incorpora un diodo Schottky que, al mismo tiempo que detecta las señales, los retifica suministrando una tensión continua en su salida.

En la práctica podemos montar uno con cualquier diodo Schottky común y encender un LED con la energía de un microondas con problemas de escape.

Sin embargo, la tecnología está integrando en un chip la antena y el diodo para poder alimentar, por ejemplo, un sistema de carga de teléfonos móviles.

 

Figura 9 - La rectenna
Figura 9 - La rectenna

 

 

La empresa japonesa Nihon Dengyo Kosaku Co, recientemente lanzó su "Microwave Regenerative Converter", cuya finalidad es convertir la energía perdida de su suministro de microondas en electricidad. El dispositivo no tiene un gran rendimiento, pero es interesante como muestra la figura 10.

 

Figura 10 - Este dispositivo convierte energía de microondas en electricidad utilizando una rectenna
Figura 10 - Este dispositivo convierte energía de microondas en electricidad utilizando una rectenna

 

 

Otras soluciones

A medida que la ciencia avanza nuevos descubrimientos pueden dar lugar a avances en la tecnología.

Así ya se habla en el uso de partículas de alta penetración como los neutrinos y otras para la transmisión de señales. Los sistemas de comunicación podrían enviar señales a través de la tierra como si no existiera, pues estas partículas poseen una interacción muy débil con la materia.

Poco sabemos todavía, porque su detección es extremadamente difícil, y de la misma forma no sabemos aún cómo podemos usarla para transmitir energía.

Sin embargo, con los avances de nuevas teorías de la física como las que involucran la existencia de las supercuerdas tal vez en breve tecnologías derivadas de ciencias como la plasmónica puedan estar entrando en ese juego de enviar energía inalámbrica a una humanidad cada vez más sedienta de fuentes limpias alimentar sus equipos.

 

 

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