Para 2025, los expertos estiman que la cantidad de dispositivos de Internet de las cosas (IoT, Internet of Things, por sus siglas en inglés), incluidos los sensores que recopilan datos en tiempo real sobre la infraestructura y el medio ambiente, podría aumentar a 75 mil millones en todo el mundo. Sin embargo, tal como están las cosas, esos sensores requieren baterías que deben reemplazarse con frecuencia, lo que puede ser problemático para el monitoreo a largo plazo.
Los investigadores del MIT han diseñado sensores fotovoltaicos que podrían transmitir datos durante años antes de que necesiten ser reemplazados. Para hacerlo, montaron células de perovskita de película delgada, conocidas por su bajo costo potencial, flexibilidad y relativa facilidad de fabricación, como recolectores de energía en etiquetas de identificación de radiofrecuencia (RFID) de bajo costo.
Las células podrían alimentar los sensores tanto con luz solar brillante como con condiciones de interior más tenues. Además, el equipo descubrió que la energía solar en realidad le da a los sensores un gran impulso de energía que permite mayores distancias de transmisión de datos y la capacidad de integrar múltiples sensores en una sola etiqueta RFID.
«En el futuro, podría haber miles de millones de sensores a nuestro alrededor. Con esa escala, necesitarás muchas baterías que tendrás que recargar constantemente. Pero, ¿qué pasaría si pudieras autoalimentarlas usando la luz ambiental? Podría desplegarlos y olvidarlos durante meses o años a la vez», dice Sai Nithin Kantareddy, Ph.D. estudiante en el laboratorio de autoidentificación del MIT. «Este trabajo consiste básicamente en construir etiquetas RFID mejoradas utilizando recolectores de energía para una variedad de aplicaciones».
En un par de artículos publicados en las revistas Advanced Functional Materials y IEEE Sensors, los investigadores del MIT Auto-ID Laboratory y del MIT Photovoltaics Research Laboratory describen el uso de sensores para monitorear continuamente las temperaturas interiores y exteriores durante varios días. Los sensores transmitieron datos continuamente a distancias cinco veces mayores que las etiquetas RFID tradicionales, sin necesidad de baterías. Los rangos de transmisión de datos más largos significan, entre otras cosas, que un lector puede usarse para recolectar datos de múltiples sensores simultáneamente.
Dependiendo de ciertos factores en su entorno, como la humedad y el calor, los sensores pueden dejarse adentro o afuera durante meses o, potencialmente, años antes de que se degraden lo suficiente como para requerir reemplazo. Eso puede ser valioso para cualquier aplicación que requiera detección a largo plazo, en interiores y exteriores, incluido el seguimiento de la carga en las cadenas de suministro, el monitoreo del suelo y la energía utilizada por los equipos en edificios y hogares.
Se unirán al equipo de Kantareddy en los estudios: el postdoctorado del Departamento de Ingeniería Mecánica (MechE) Ian Matthews, el investigador Shijing Sun, la estudiante de ingeniería química Mariya Layurova, el investigador Janak Thapa, el investigador Ian Marius Peters y el profesor de Georgia Tech Juan-Pablo Correa-Baena, quienes son todos los miembros del Laboratorio de Investigación Fotovoltaica; Rahul Bhattacharyya, investigador en el laboratorio AutoID; Tonio Buonassisi, profesor de MechE; y Sanjay E. Sarma, el profesor de ingeniería mecánica Fred Fort Flowers y Daniel Fort Flowers.
Combinando dos tecnologías de bajo costo
En intentos recientes de crear sensores autoalimentados, otros investigadores han utilizado células solares como fuentes de energía para dispositivos de Internet de las cosas (IoT). Pero esas son básicamente versiones reducidas de las células solares tradicionales, no la perovskita. Las células tradicionales pueden ser eficientes, duraderas y potentes bajo ciertas condiciones «pero son realmente inviables para los sensores de IoT ubicuos», dice Kantareddy.
Las células solares tradicionales, por ejemplo, son voluminosas y caras de fabricar, además son inflexibles y no se pueden hacer transparentes, lo que puede ser útil para sensores de monitoreo de temperatura colocados en ventanas y parabrisas de automóviles. En realidad, también están diseñados para recolectar energía de manera eficiente de la luz solar potente, no con poca luz interior.
Las células de perovskita, por otro lado, pueden imprimirse utilizando técnicas fáciles de fabricación de rollo a rollo por unos pocos centavos cada una; hecho delgado, flexible y transparente; y sintonizado para cosechar energía de cualquier tipo de iluminación interior y exterior.
La idea, entonces, era combinar una fuente de energía de bajo costo con etiquetas RFID de bajo costo, que son adhesivos sin batería utilizados para monitorear miles de millones de productos en todo el mundo. Las pegatinas están equipadas con pequeñas antenas de frecuencia ultraalta que cuestan cada una de tres a cinco centavos.
Las etiquetas RFID se basan en una técnica de comunicación llamada «retrodispersión», que transmite datos reflejando señales inalámbricas moduladas fuera de la etiqueta y de regreso a un lector. Un dispositivo inalámbrico llamado lector, básicamente similar a un enrutador Wi-Fi, hace sonar la etiqueta, que enciende y retrocede una señal única que contiene información sobre el producto al que está adherido.
Tradicionalmente, las etiquetas recogen un poco de la energía de radiofrecuencia enviada por el lector para encender un pequeño chip dentro que almacena datos, y usa la energía restante para modular la señal de retorno. Pero eso equivale a solo unos pocos microvatios de potencia, lo que limita su alcance de comunicación a menos de un metro.
El sensor de los investigadores consiste en una etiqueta RFID construida sobre un sustrato de plástico. Directamente conectado a un circuito integrado en la etiqueta hay una matriz de células solares de perovskita. Al igual que con los sistemas tradicionales, un lector barre la sala y cada etiqueta responde. Pero en lugar de utilizar la energía del lector, extrae la energía recolectada de la célula de perovskita para alimentar su circuito y enviar datos mediante retrodispersión de señales de RF.
Eficiencia a escala
Las innovaciones clave están en las celdas personalizadas. Están fabricados en capas, con material de perovskita intercalado entre un electrodo, un cátodo y materiales especiales de capa de transporte de electrones. Esto logró aproximadamente un 10 por ciento de eficiencia, que es bastante alta para las células de perovskita aún experimentales. Esta estructura de capas también permitió a los investigadores ajustar cada celda para su «banda prohibida» óptima, que es una propiedad de movimiento de electrones que dicta el rendimiento de una celda en diferentes condiciones de iluminación. Luego combinaron las celdas en módulos de cuatro celdas.
En el documento de Advanced Functional Materials, los módulos generaron 4.3 voltios de electricidad bajo una iluminación solar, que es una medida estándar de cuánto voltaje producen las células solares bajo la luz solar. Eso es suficiente para encender un circuito (aproximadamente 1,5 voltios) y enviar datos a unos 5 metros cada pocos segundos. Los módulos tuvieron rendimientos similares en iluminación interior. El documento de IEEE Sensors demostró principalmente células de perovskita de banda ancha para aplicaciones en interiores que lograron entre 18.5 por ciento y 21. Eficiencias del 4 por ciento bajo iluminación fluorescente en interiores, dependiendo de cuánto voltaje generen. Esencialmente, aproximadamente 45 minutos de cualquier fuente de luz alimentarán los sensores en interiores y exteriores durante aproximadamente tres horas.
El circuito RFID fue prototipo para monitorear solo la temperatura. Luego, los investigadores apuntan a escalar y agregar más sensores de monitoreo ambiental a la mezcla, como humedad, presión, vibración y contaminación. Desplegados a escala, los sensores podrían ayudar especialmente en la recopilación de datos a largo plazo en interiores para ayudar a construir, por ejemplo, algoritmos que ayuden a hacer que los edificios inteligentes sean más eficientes energéticamente.
«Los materiales de perovskita que usamos tienen un potencial increíble como cosechadores de luz para interiores efectivos. Nuestro siguiente paso es integrar estas mismas tecnologías utilizando métodos electrónicos impresos, lo que potencialmente permite la fabricación de sensores inalámbricos de muy bajo costo», dice Mathews.
Noticia de: Tech Xplore / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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