Los físicos del MIT han desarrollado un plan para crear un dispositivo que tiene como objetivo convertir las señales de Wi-Fi en un tipo de energía alternativa.
Cualquier dispositivo que envía una señal de Wi-Fi también emite ondas de terahercios, ondas electromagnéticas con una frecuencia en algún lugar entre las microondas y la luz infrarroja. Estas ondas de radiación de alta frecuencia, conocidas como “rayos T”, también son producidas por casi cualquier cosa que registre una temperatura, incluidos nuestros propios cuerpos y los objetos inanimados que nos rodean.
Las ondas de Terahercios son dominantes en nuestra vida diaria, y si se aprovechan, su poder concentrado podría servir como una fuente de energía alternativa. Imagine, por ejemplo, un complemento de un teléfono celular que absorbe pasivamente la energía de los rayos T y utiliza su energía para cargar su teléfono. Sin embargo, hasta la fecha, las ondas de terahercios son energía desperdiciada, ya que no ha habido una forma práctica de capturarlas y convertirlas en ninguna forma utilizable.
Pero ahora, los físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology, MIT, por sus siglas en inglés) han creado un plan para un dispositivo que creen que podría convertir las ondas de terahercios ambientales en una corriente continua, una forma de electricidad que alimenta muchos electrónicos domésticos.
Su diseño aprovecha el comportamiento cuántico mecánico o atómico del material de carbono grafeno. Descubrieron que al combinar el grafeno con otro material, en este caso, el nitruro de boro, los electrones en el grafeno deberían sesgar su movimiento hacia una dirección común. Cualquier onda de terahercios entrante debería “transportar” los electrones de grafeno, como tantos pequeños controladores de tránsito aéreo, para que fluyan a través del material en una sola dirección, como corriente continua.
Los investigadores han publicado sus resultados hoy en la revista Science Advances, y están trabajando con los experimentadores para convertir su diseño en un dispositivo físico.
“Estamos rodeados de ondas electromagnéticas en el rango de terahercios”, dice el autor principal Hiroki Isobe, un postdoc en el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT. “Si podemos convertir esa energía en una fuente de energía eléctrica, ayudaría a abordar los desafíos energéticos que enfrentamos en este momento”.
Los coautores de Isobe son Liang Fu, Lawrence C. y Sarah W. Biedenharn, profesora asociada de desarrollo profesional de física en el MIT; y Su-yang Xu, un ex postdoc del MIT que ahora es profesor asistente de química en la Universidad de Harvard.
Rompiendo la simetría del grafeno
Durante la última década, los científicos han buscado formas de cosechar y convertir la energía ambiental en energía eléctrica utilizable. Lo han hecho principalmente a través de rectificadores, dispositivos diseñados para convertir ondas electromagnéticas de su corriente oscilante (alterna) a corriente continua.
La mayoría de los rectificadores están diseñados para convertir ondas de baja frecuencia como ondas de radio, utilizando un circuito eléctrico con diodos para generar un campo eléctrico que puede dirigir las ondas de radio a través del dispositivo como una corriente continua. Estos rectificadores solo funcionan hasta una determinada frecuencia y no han sido capaces de acomodar el rango de terahercios.
Algunas tecnologías experimentales que han sido capaces de convertir ondas de terahercios en corriente continua solo lo hacen a temperaturas extremadamente frías, configuraciones que serían difíciles de implementar en aplicaciones prácticas.
En lugar de convertir las ondas electromagnéticas en una corriente continua aplicando un campo eléctrico externo en un dispositivo, Isobe se preguntó si, a nivel de la mecánica cuántica, los propios electrones de un material podrían ser inducidos a fluir en una dirección, para dirigir las ondas terahercios entrantes hacia una corriente continua.
Tal material tendría que estar muy limpio, o libre de impurezas, para que los electrones en el material fluyan sin dispersar las irregularidades en el material. El grafeno, descubrió, era el material de partida ideal.
Para dirigir los electrones del grafeno para que fluyan en una dirección, tendría que romper la simetría inherente del material, o lo que los físicos llaman “inversión”. Normalmente, los electrones de grafeno sienten una fuerza igual entre ellos, lo que significa que cualquier energía entrante dispersaría los electrones en todas las direcciones, simétricamente. Isobe buscó formas de romper la inversión de grafeno e inducir un flujo asimétrico de electrones en respuesta a la energía entrante.
Al revisar, descubrió que otros habían experimentado con el grafeno colocándolo sobre una capa de nitruro de boro, una red similar al panal hecha de dos tipos de átomos: boro y nitrógeno. Descubrieron que en esta disposición, las fuerzas entre los electrones de grafeno se desequilibraron: los electrones más cercanos al boro sintieron una cierta fuerza, mientras que los electrones más cercanos al nitrógeno experimentaron un tirón diferente. El efecto general fue lo que los físicos llaman “dispersión sesgada”, en el que las nubes de electrones desvían su movimiento en una dirección.
Isobe desarrolló un estudio teórico sistemático de todas las formas en que los electrones en el grafeno podrían dispersarse en combinación con un sustrato subyacente como el nitruro de boro, y cómo esta dispersión de electrones afectaría cualquier onda electromagnética entrante, particularmente en el rango de frecuencia de terahercios.
Descubrió que los electrones eran conducidos por las ondas terahercios entrantes para sesgarse en una dirección, y este movimiento de inclinación genera una corriente continua, si el grafeno fuera relativamente puro. Si existieran demasiadas impurezas en el grafeno, actuarían como obstáculos en el camino de las nubes de electrones, haciendo que estas nubes se dispersen en todas las direcciones, en lugar de moverse como una sola.
“Con muchas impurezas, este movimiento sesgado termina oscilando, y cualquier energía de terahercios entrante se pierde a través de esta oscilación”, explica Isobe. “Por lo tanto, queremos una muestra limpia para obtener un movimiento sesgado”.
Una sola dirección
También descubrieron que cuanto más fuerte es la energía de terahercios entrante, más de esa energía puede convertir un dispositivo a corriente continua. Esto significa que cualquier dispositivo que convierta los rayos T también debe incluir una forma de concentrar esas ondas antes de que entren en el dispositivo.
Con todo esto en mente, los investigadores elaboraron un anteproyecto para un rectificador de terahercios que consiste en un pequeño cuadrado de grafeno que se asienta sobre una capa de nitruro de boro y se intercala dentro de una antena que recolectaría y concentraría la radiación de terahercios ambiental, aumentando su señal suficiente para convertirlo en una corriente continua.
“Esto funcionaría de manera muy similar a una celda solar, a excepción de un rango de frecuencia diferente, para recolectar y convertir pasivamente la energía ambiental”, dice Fu.
El equipo ha presentado una patente para el nuevo diseño de “rectificación de alta frecuencia”, y los investigadores están trabajando con físicos experimentales en el MIT para desarrollar un dispositivo físico basado en su diseño, que deberían ser capaces de trabajar a temperatura ambiente, frente a las temperaturas ultrafrías requeridas para rectificadores y detectores de terahercios anteriores.
“Si un dispositivo funciona a temperatura ambiente, podemos usarlo para muchas aplicaciones portátiles”, dice Isobe.
Él prevé que, en un futuro cercano, los rectificadores de terahercios se puedan usar, por ejemplo, para alimentar de forma inalámbrica los implantes en el cuerpo de un paciente, sin necesidad de cirugía para cambiar las baterías de un implante. Dichos dispositivos también podrían convertir las señales ambientales de Wi-Fi para cargar dispositivos electrónicos personales como computadoras portátiles y teléfonos celulares.
“Estamos tomando un material cuántico con cierta asimetría a escala atómica, que ahora se puede utilizar, lo que abre muchas posibilidades”, dice Fu.
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