Los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) han desarrollado un sensor autoalimentado y sin batería que puede recolectar energía de su entorno. Al no requerir recargarse o reemplazarse la batería ni utilizar ningún tipo de cableado especial, este sensor podría instalarse en lugares de difícil acceso, para recopilar automáticamente datos sobre el consumo de energía o temperatura de un dispositivo, máquina, etc., durante largos periodos de tiempo.
Los investigadores construyeron un dispositivo sensor de temperatura que recolecta energía del campo magnético generado al aire libre alrededor de un cable. Con este diseño, el sensor se podría enganchar alrededor de un cable que transporta electricidad, y automáticamente recolectará y almacenará energía que utilizará para monitorizar datos de temperatura.
Desafíos claves del proyecto
Para desarrollar un sensor de recolección de energía eficaz y sin batería, los investigadores tuvieron que afrontar tres desafíos clave. Primero, el sistema debía poder arrancar en frío, lo que significa que pudiera encender sus componentes electrónicos sin voltaje inicial. Lo lograron con una red de circuitos integrados y transistores que permiten que el sistema almacene energía hasta que alcance un cierto umbral. El sistema solo se encenderá una vez que haya almacenado suficiente energía para funcionar completamente.
En segundo lugar, el sistema tenía que ser capaz de almacenar y convertir la energía que recolectará de manera eficiente y sin batería. Si bien los investigadores podrían haber incluido una batería, eso agregaría complejidades adicionales al sistema y podría representar un riesgo de incendio.
Para evitar el uso de batería, incorporaron un almacenamiento de energía interno que puede incluir una serie de condensadores, como un capacitor que almacena energía en el campo eléctrico entre placas conductoras. Los condensadores se pueden fabricar a partir de una variedad de materiales y sus capacidades se pueden adaptar a una variedad de condiciones operativas, requisitos de seguridad y espacio disponible.
El equipo diseñó cuidadosamente los condensadores para que fueran lo suficientemente grandes como para almacenar la energía que el dispositivo necesita para encenderse y comenzar a recolectar energía, pero lo suficientemente pequeños como para que la fase de carga no se demore demasiado.
Además, dado que un sensor puede pasar semanas o incluso meses antes de encenderse para realizar una medición, se aseguraron de que los condensadores puedan retener suficiente energía incluso si algo se escapa con el tiempo.
Finalmente, desarrollaron una serie de algoritmos de control que miden y presupuestan dinámicamente la energía recolectada, almacenada y utilizada por el dispositivo. Un microcontrolador comprueba constantemente cuánta energía se almacena e infiere si se debe encender o apagar el sensor, tomar una medición o poner la cosechadora en una marcha más alta para que pueda recolectar más energía para necesidades de detección más complejas.
Sensor autoalimentado
Utilizando este marco de diseño, construyeron un circuito de gestión de energía para un sensor de temperatura disponible en el mercado. El dispositivo recolecta energía del campo magnético y la utiliza para monitorizar continuamente datos de temperatura, que envía a la interfaz de un teléfono inteligente mediante bluetooth.
Los investigadores utilizaron circuitos de muy baja potencia para diseñar el dispositivo, pero rápidamente descubrieron que estos circuitos tienen estrictas restricciones sobre la cantidad de voltaje que pueden soportar antes de fallar. Recolectar demasiada energía podría hacer que el dispositivo explote. Para evitar eso, su sistema operativo de recolección de energía en el microcontrolador ajusta o reduce automáticamente la recolección si la cantidad de energía almacenada se vuelve excesiva.
También descubrieron que la comunicación era la operación que consumía más energía. En el futuro, los investigadores planean explorar medios de transmisión de datos que consuman menos energía, como por ejemplo la óptica o la acústica. También quieren modelar y predecir de manera más rigurosa cuánta energía podría ingresar a un sistema, o cuánta energía podría necesitar un sensor para tomar mediciones, de modo que un dispositivo pueda recopilar aún más datos de manera efectiva.
Guía para diseñar un sensor de recolección de energía
El MIT publicó un artículo en IEEE Sensors Journal, donde los investigadores ofrecen una guía de diseño para un sensor de recolección de energía que permite a un ingeniero equilibrar la energía disponible en el medio ambiente con sus necesidades de detección. El documento establece una hoja de ruta para los componentes clave de un dispositivo que puede detectar y controlar el flujo de energía continuamente durante el funcionamiento.
El marco de diseño versátil no se limita a sensores que recolectan energía de campo magnético y puede aplicarse a aquellos que utilizan otras fuentes de energía, como vibraciones o luz solar. Podría usarse para construir redes de sensores para fábricas, almacenes y espacios comerciales cuya instalación y mantenimiento cuesten menos.