Los tsunamis, los huracanes y el clima marítimo se monitorean mediante sensores y otros dispositivos en plataformas en el océano para ayudar a mantener seguras a las comunidades costeras, hasta que las baterías de estas plataformas se agoten.
por Alexandra Freibott, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Sin energía, los sensores oceánicos no pueden recopilar datos críticos sobre las olas y el clima, lo que genera problemas de seguridad para las comunidades costeras que dependen de información meteorológica marítima precisa. Reemplazar las baterías en el mar también es costoso. ¿Qué pasaría si todo esto pudiera evitarse alimentando dispositivos indefinidamente con la energía de las olas del océano?
Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) están trabajando para hacer esto realidad con el desarrollo de un nuevo nanogenerador triboeléctrico cilíndrico (TENG), una pequeña central eléctrica que convierte la energía de las olas en electricidad para alimentar dispositivos en el mar. Las versiones más grandes de este generador podrían usarse para alimentar sistemas de comunicación y observación oceánica, incluida la telemetría acústica y satelital.
«Los TENG son de bajo costo, livianos y pueden convertir de manera eficiente ondas lentas, uniformes o aleatorias en energía, lo que los hace particularmente adecuados para alimentar dispositivos en mar abierto, donde el monitoreo y el acceso son desafiantes y costosos», explicó Daniel Deng, un PNNL. compañero de laboratorio y co-desarrollador del nuevo dispositivo TENG.
Deng y su equipo adoptaron un enfoque novedoso para avanzar en los TENG cilíndricos para su uso en mar abierto. Su nanogenerador triboeléctrico cilíndrico de frecuencia multiplicada pendiente de patente (FMC-TENG) utiliza imanes cuidadosamente colocados para convertir la energía de manera más eficiente que otros TENG cilíndricos y para transformar mejor las ondas lentas y uniformes en electricidad. Hasta ahora, el prototipo FMC-TENG ha sido capaz de producir suficiente electricidad para alimentar un transmisor acústico, un tipo de sensor que a menudo se incluye en las plataformas de observación oceánica que se puede utilizar para las comunicaciones. Esta es aproximadamente la misma cantidad de electricidad que se necesita para encender una bombilla LED.
«Estamos desarrollando el FMC-TENG para alimentar todo, desde plataformas de observación oceánica con múltiples sensores hasta comunicaciones por satélite, todo utilizando la energía del océano», dijo Deng.
Crédito: Sara Levine / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Pieles artificiales, imanes y ondas para poder.
Si alguna vez te ha impactado la electricidad estática , entonces has experimentado personalmente el efecto triboeléctrico, el mismo efecto que los investigadores aprovechan en el FMC-TENG para producir energía. Un TENG cilíndrico se compone de dos cilindros anidados con el cilindro interior girando libremente. Entre los dos cilindros hay tiras de piel artificial, electrodos de aluminio y un material similar al teflón llamado etileno propileno fluorado (FEP). A medida que el TENG rueda a lo largo de la superficie de una ola oceánica, la piel artificial y los electrodos de aluminio de un cilindro rozan el material FEP del otro cilindro, creando electricidad estática que puede convertirse en energía.
Cuanto más se mueve un TENG cilíndrico, más energía genera. Es por eso que las olas rápidas y frecuentes pueden generar más energía que las olas más lentas y uniformes del océano abierto. Para idear un TENG que pudiera alimentar la electrónica en mar abierto, Deng y su equipo se propusieron aumentar la cantidad de energía de las olas convertida en electricidad en el FMC-TENG. Al final resultó que, la clave era detener temporalmente el movimiento del cilindro interno del FMC-TENG.
En el FMC-TENG, el equipo colocó imanes para detener la rotación del cilindro interno del dispositivo hasta que alcanzó la cresta de una ola, lo que le permitió acumular más y más energía potencial. Al acercarse a la cresta de la ola, los imanes se soltaron y el cilindro interno comenzó a rodar por la ola muy rápidamente. El movimiento más rápido produjo electricidad de manera más eficiente, generando más energía a partir de una onda más lenta.
Un convertidor de energía de las olas para mar abierto
Actualmente, el prototipo FMC-TENG puede producir suficiente energía para ejecutar dispositivos electrónicos pequeños, como sensores de temperatura y transmisores acústicos. A medida que el equipo itera en su diseño para uso comercial, se espera que el FMC-TENG produzca suficiente energía para ejecutar una plataforma de monitoreo de océano abierto completa que incluye múltiples sensores y comunicaciones satelitales. Además, el FMC-TENG es liviano y se puede usar tanto en dispositivos flotantes como en plataformas amarradas.
«El FMC-TENG es único porque hay muy pocos convertidores de energía de las olas que sean eficientes y capaces de generar una potencia significativa a partir de las olas del océano de baja frecuencia», dijo Deng. «Este tipo de generador podría potencialmente alimentar boyas integradas con conjuntos de sensores para rastrear datos de agua, viento y clima en océanos abiertos utilizando completamente energía oceánica renovable».
El estudio se publica en la revista Nano Energy .
Más información: Hyunjun Jung et al, Nanogenerador triboeléctrico cilíndrico de frecuencia multiplicada para recolectar energía de olas de baja frecuencia para impulsar el sistema de observación del océano, Nano Energy (2022). DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107365
