Energía que emerge al paso

En el estado septentrional de Chihuahua, un grupo de investigadores mexicanos ha desarrollado un dispositivo que se coloca en los zapatos y es capaz de almacenar energía. Cuando una persona da un paso, la energía vibracional que se produce en el dispositivo se transforma en electricidad, al servirse del fenómeno piezoeléctrico. Lo generado es suficiente para alimentar hasta tres baterías tipo AAA.

“Hasta el momento hemos generado entre 25 y 30 microwatts, pero eso depende de la frecuencia de la caminata”: Abel Hurtado.
Por Antonia Tapia

El fenómeno de la piezoelectricidad se conoce en el mundo desde hace más de un siglo. Pierre y Jacques Curie descubrieron su existencia mientras investigaban las capacidades de compresión del cuarzo. Ellos notaron que al ejercer un esfuerzo mecánico sobre el mineral, sus cargas se separaban, lo cual propiciaba la polarización de la carga y provocaba que saltaran chispas.

Este fenómeno ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquieren una polarización eléctrica; con ello, aparecen una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. El fenómeno también sucede a la inversa: los cristales se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.

El conocimiento de esta propiedad ha permitido a diversas industrias desarrollar materiales útiles para los procesos que llevan a cabo. Dispositivos tan comunes como los usados para el encendido electrónico de estufas y calentadores, hasta su aplicación en transductores ultrasónicos o transformadores piezoeléctricos, aprovechan dicha característica para la obtención de energía eléctrica que no requiere la quema de combustibles.

En diversas partes del mundo, investigadores desarrollan con frecuencia estudios sobre materiales que ofrecen tal característica, de modo que puedan aprovecharse en las industrias. A la fecha, la industria electrónica es la que mayor jugo ha sacado de los materiales, y los beneficios para el sector eléctrico van en aumento.

Gracias a ello, la piezoelectricidad se emplea cada día más extensamente en dispositivos innovadores que se erigen como alternativas para la obtención de energía. Ante el desafío mundial de buscar métodos alternativos a los combustibles fósiles para generar electricidad, los materiales piezoeléctricos ofrecen una interesante opción.

Circuito generador piezoeléctrico

Materiales piezoeléctricos
Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que carecen de centro de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan disociación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, positivas y negativas. Como consecuencia, en la masa aparecen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas surgen cargas de signo opuesto.

Durante la Primera Guerra Mundial fue puesta en práctica su aplicación a través de uno de sus pioneros: Paul Langevin. Más adelante, en las décadas de 1940 y 1950, se desarrollaron en Japón y en la ex Unión Soviética cerámicas piezoeléctricas de Titanato de Bario. En EUA, en cambio, se ampliaron los estudios sobre las cerámicas de Titanato Zirconato de Plomo (PZT).

Según el estudio Cerámicas piezoeléctricas: funcionamiento y propiedades, publicado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), las cerámicas piezoeléctricas PZT, en sus diversas variaciones, son el tipo predominante en el mercado. Aunque, según el mismo documento, también se pueden encontrar otros tipos de materiales, como el PT (PbTiO3) y el PMN (PbMg1/3Nb2/3) O3), utilizados en dispositivos que exigen propiedades especiales y muy específicas, como transductores para alta temperatura.

El trabajo del MIT explica que las cerámicas piezoeléctricas son cuerpos macizos semejantes a los utilizados en aislantes eléctricos. Están constituidas por innumerables cristales ferroeléctricos microscópicos, por lo cual incluso se les denomina policristalinos.

Particularmente en las cerámicas tipo PZT, estos pequeños cristales poseen estructura cristalina tipo Perovskita, que presenta simetría tetragonal, romboédrica o cúbica simples, dependiendo de la temperatura en la que se encuentra el material.

El dispositivo aprovecha las energías vibracionales mecánicas generadas al caminar para convertirlas en energía eléctrica

Proyecto mexicano
Investigadores de la Universidad Autónoma de Chihuahua (UAC), de la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez (UACJ) y del Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMA) han desarrollado un dispositivo cilíndrico que aprovecha las energías vibracionales mecánicas, como las que generan las personas al caminar.

Al respecto, Constructor Eléctrico, dialogó con el doctor Abel Hurtado Macías, uno de los integrantes del equipo de investigación.

“El dispositivo que diseñamos es una pastilla que se coloca en la suela del zapato. La pastilla ha sido confeccionada con materiales ferroeléctricos que tienen un efecto piezoeléctrico, el cual ayuda a transformar los esfuerzos, las fuerzas aplicadas, en energía eléctrica”, afirma el doctor Abel Hurtado Macías, uno de los integrantes del equipo de investigación.

El doctor Hurtado agrega que la fuerza que actúa sobre el material redirecciona las estructuras, denominadas momentos bipolares, las cuales crean una energía superficial positiva y una negativa. Esta diferencia de potencial deriva en un chispazo que se puede aplicar en una gran cantidad de procesos. “Hasta el momento hemos logrado generar entre 25 y 30 microwatts, pero eso es dependiendo de la frecuencia con la que uno va caminando. Se puede alcanzar hasta un almacenamiento para alimentar, digamos, dos o tres baterías AAA”.

Características del dispositivo
La plantilla del zapato donde se instala el dispositivo presenta una longitud de 28 centímetros. La pastilla, por su parte, tiene una dimensión de 7 centímetros por 4.5 de ancho. Ambos elementos se colocan sobre una tablilla electrónica; allí se conectan en forma de cilindros. Los cerámicos piezoeléctricos o poroeléctricos son de Titanato Zirconato de Plomo (PZT, por sus siglas en inglés) y están conectados a la tablilla mediante un arreglo bimorfo. Las dimensiones de los cerámicos son de, aproximadamente, 2 centímetros de diámetro y 1 milímetro de espesor. Los contactos son de 500 micras de plata y la lámina que está entre ambas pastillas es de alrededor de 600 micrómetros.

Plantilla con dispositivo generador o captador de energía por el principio del efecto directo piezoeléctrico

Tapetes que aprovechan la energía
Otra línea de investigación que ha desarrollado el equipo de científicos consiste en colocar estos pequeños dispositivos debajo de alfombras o en aquellos lugares donde existe una afluencia de gente considerable. Al pasar la gente sobre los tapetes, éstos captan la energía, la almacenan y la transforman en energía electrostática.

“Con estas pastillas se pueden generar de 35 a 100 microwatts, según la excitación de la potencia de inducción mecánica; es decir, dependiendo de los decibeles de la potencia de vibración mecánica. Si son, digamos, 95 decibeles de potencia, puede dar hasta 60 microwatts”, explica el investigador.

Respecto de los costos, el investigador del CIMA indica que el dispositivo que se coloca en la plantilla no tiene un precio elevado y su armado es relativamente sencillo; por lo que puede alcanzar un costo de entre 60 y 100 pesos mexicanos. “En el caso de los dispositivos que se colocan en los tapetes, lo más laborioso es hacer las películas delgadas. Algunas instituciones cuentan con esa tecnología y pueden fabricarlas relativamente rápido y a bajo costo”, detalla el doctor Hurtado.

Cantiléver de PZT. Configuración bimorfa de 112 mm de largo por 13 mm; espesor de 1 mm

Ventajas
Los beneficios primordiales de los dispositivos desarrollados por los investigadores mexicanos es que pueden captar la energía que no suele aprovecharse, sin necesidad de instalar dispositivos complejos o de grandes dimensiones, como es común en los métodos de generación convencionales. Asimismo, por sus características, esta fuente de energía no implica ningún tipo de contaminación sobre el medioambiente.

“Las energías que están desperdiciadas se pueden almacenar en dicho dispositivo. En ese sentido, una de sus grandes ventajas es que no habría tanta necesidad de consumir energía eléctrica y bajarían los costos, por lo que su impacto sería relativamente bueno”, afirma el investigador del CIMA.

En la actualidad, algunos países de diversos continentes han desarrollado materiales ferro y piezoeléctricos; ejemplo de ello son China, Rumania y Alemania. Por otro lado, Macías Hurtado precisa que en México sí se trabaja con materiales ferroelectrónicos, pero enfocados en microondas, sensores para distancias y transmisores. “En Alemania ya se utiliza este tipo de tecnología en tapetes ubicados en las estaciones de Metro; en las escaleras, por ejemplo, colocan materiales ferroeléctricos. A medida que la gente tiene contacto con tales materiales, van acumulando energía electrostática que se utiliza para abastecer el alumbrado de las estaciones”.

Por el momento, la investigación de los científicos mexicanos atraviesa por una etapa de optimización del dispositivo, de hecho, están generando nuevas configuraciones, así como en la búsqueda de otros materiales. En cuanto al futuro inmediato, Macías Hurtado sostiene que los próximos pasos son “conseguir la patente y los derechos de autor”.
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