El chaleco salvavidas utiliza metal líquido para un SOS luminoso.

En caso de emergencia en el mar, una señal luminosa puede facilitar la búsqueda de una persona. Las pantallas electrónicas requieren una fuente de energía, que generalmente se lleva en forma de batería en los dispositivos portátiles. El equipo de investigación dirigido por Weihua Li de la Universidad de Wollongong está siguiendo un enfoque diferente: un componente del chaleco está destinado a convertir el movimiento mecánico del agua en energía eléctrica. La idea combina un movimiento ya existente con una función que puede hacerse visible en caso de emergencia.

La Universidad de Wollongong presenta la configuración experimental en su informe de investigación sobre chalecos salvavidas autopropulsados. El artículo científico apareció en Science Advances y describe un convertidor de energía mecanoelectroquímico que convierte el movimiento mecánico en electricidad mediante interfaces móviles.

La UOW explica cómo el galio genera electricidad

Dentro del transductor blando hay gotas de un metal líquido a base de galio rodeadas por una solución conductora. Si el componente se inclina o se mueve, las gotas se mueven y cambian sus superficies de contacto con el líquido y el aire. En estas interfaces tienen lugar reacciones electroquímicas cuya intensidad depende de las respectivas condiciones de contacto. Esto cambia las condiciones de reacción para que sea posible el transporte de carga eléctrica.

En este proceso juega un papel importante una fina capa de óxido sobre el metal que contiene galio. Se forma en la superficie y puede volver a disolverse en las condiciones adecuadas. A medida que el componente cambia de posición, también cambian las áreas donde se encuentran el metal, el electrolito y el aire. Esto crea una asimetría entre las interfaces, lo que impulsa el flujo de corriente.

A diferencia de un electrodo rígido, el metal líquido puede adaptar su forma al movimiento del componente blando a medida que su superficie se reforma después de la deformación. La alta tensión superficial y la interfaz móvil permiten que el material responda repetidamente a la presión, la inclinación y la deformación. Esta adaptabilidad es especialmente interesante para los desarrolladores porque la tecnología portátil debe adaptarse perfectamente al cuerpo o a objetos flexibles.

Otros procesos también obtienen energía del movimiento, pero dependen de efectos físicos diferentes. Con los materiales piezoeléctricos, se crean cargas eléctricas a medida que el material se deforma mecánicamente. Los sistemas triboeléctricos aprovechan el intercambio de cargas entre superficies que se tocan y se separan entre sí. Otro enfoque utiliza las contracciones de las células cardíacas vivas para alimentar un generador de energía muy delgado. Las gafas descritas en este sitio web que generan electricidad cuando parpadeas también tienen como objetivo realizar pequeños movimientos que pueden usarse en dispositivos electrónicos portátiles. En el convertidor de metal líquido, sin embargo, las señales eléctricas se generan mediante procesos electroquímicos que se producen en interfaces en movimiento.

El indicador SOS se ilumina con la matriz emparejada

Para la demostración, el equipo conectó 40 convertidores de energía individuales en una matriz común que alimentaba la pantalla SOS del chaleco salvavidas. Con inclinación periódica, el compuesto alcanzó un voltaje de aproximadamente dos voltios pico a pico; Esta medición describe la distancia entre los picos superior e inferior del voltaje CA y no significa un suministro constante de este voltaje. Después del almacenamiento en búfer, la palabra SOS se iluminó en la pantalla LED.

El estudio también afirma que la densidad de potencia es de 140,2 microvatios por metro cuadrado. Este valor se refiere a la potencia entregada al área del convertidor de energía y describe el alcance de la conversión de energía. La tensión por sí sola no es suficiente para evaluar un consumidor concreto: la intensidad de la corriente, la duración de la producción de energía y los requisitos de la electrónica conectada también determinan qué función se puede realizar. Por lo tanto, la pantalla LED es un demostrador adecuado para una aplicación con requisitos de energía limitados. Los autores también examinaron la estructura bajo movimientos ondulatorios.

Se trataba de una prueba de concepto, es decir, una prueba experimental de que el principio funciona en condiciones simuladas. La demostración no es una prueba a largo plazo en alta mar y no demuestra una mejora en la tasa de rescate ni la aprobación como equipo de seguridad. Para un uso práctico, la tecnología tendría que pasar pruebas adicionales que van más allá de iluminar una pantalla en la configuración experimental.

La UOW confirma el funcionamiento del convertidor en agua de mar

Según la Universidad de Wollongong, el convertidor de energía también funcionó en agua de mar. Esta propiedad es relevante para una posible aplicación marina porque el componente está destinado a ser utilizado en un ambiente salado y permanentemente húmedo. En el artículo original, el agua de mar como electrolito proporcionaba un voltaje de salida más bajo que la sosa cáustica. La composición química del electrolito influye en los procesos que se producen en la superficie del metal y, por tanto, en la potencia eléctrica.

La resistencia al agua de mar por sí sola no es suficiente para integrarlo en un chaleco salvavidas. El componente también debe resistir la flexión, el almacenamiento, el inflado y los esfuerzos mecánicos repetidos. La cubierta flexible, los contactos eléctricos y la junta no deben sufrir daños. También está la cuestión de qué tan estables permanecen las propiedades electroquímicas cuando los depósitos de sal y los cambios de temperatura afectan al material.

La función óptica también depende de las condiciones en las que se busca a una persona. El rocío, la lluvia, la oscuridad y la posición del chaleco pueden afectar la dirección desde la cual se puede ver la señal. Una pantalla LED puede mejorar la visibilidad, pero no reemplaza la determinación de la posición o el enlace por radio con un centro de rescate. El prototipo descrito envía una señal óptica SOS; El trabajo no proporciona evidencia de una llamada de emergencia automática o transmisión de ubicación.

Las grandes centrales undimotrices aprovechan el movimiento del mar para generar electricidad. Un ejemplo es el WaveRoller, que convierte el movimiento del agua en energía eléctrica para aplicaciones más grandes. El convertidor de metal líquido, por el contrario, está destinado a habilitar una pequeña función eléctrica directamente en un objeto portátil. Ambos enfoques generan energía a partir del movimiento, pero difieren significativamente en términos de rendimiento, estructura y alcance.

Weihua Li describe el metal líquido como un sensor

Además de su función como fuente de energía, los autores también examinaron el transductor como sensor: la presión, la inclinación, la flexión y la torsión modifican sus propiedades eléctricas. De estos cambios se pueden sacar conclusiones sobre la carga mecánica y el movimiento. Por lo tanto, las funciones de producción y medición de energía pueden unirse en la misma estructura blanda.

En los experimentos, el sistema reaccionó a diferentes movimientos corporales. Los autores examinaron, entre otras cosas, las señales al caminar y correr, así como los movimientos asociados con una caída. Un pulso en la muñeca también podría registrarse como un pequeño cambio mecánico. Estas pruebas demuestran que las propiedades del sensor no se limitan a los fuertes movimientos que se producen con un chaleco salvavidas en las olas.

Varios elementos sensores sobre una superficie también pueden detectar dónde se aplica presión. Esta detección espacial podría resultar interesante para controles flexibles, dispositivos de medición portátiles o robots blandos. Por ejemplo, un robot podría registrar dónde su piel exterior entra en contacto con un objeto. Estas posibles aplicaciones son perspectivas para el desarrollo de materiales y sensores, no aplicaciones disponibles en el mercado.

Además, los autores describen una disposición programable de interfaces de metal líquido con las que generaron una tensión alterna trifásica sincronizada mediante una sintonización de contacto específica. El resultado muestra que la energía eléctrica no sólo puede excitarse mediante un simple movimiento, sino que también puede verse influenciada por la disposición de las interfaces. Esta controlabilidad podría volverse importante para aplicaciones técnicas posteriores si se supone que un componente debe realizar varias tareas eléctricas.

La UOW cita un mayor rendimiento como objetivo de desarrollo

Los científicos citan como objetivos de desarrollo futuros un mayor rendimiento eléctrico, así como una mayor durabilidad y fiabilidad. Estos puntos están estrechamente relacionados: un convertidor potente sería de poca utilidad en la vida cotidiana si su carcasa presenta fugas o sus contactos fallan después de repetidas deformaciones. Asimismo, la energía eléctrica debe permanecer suficientemente estable incluso en caso de cambios de movimiento, para que la electrónica conectada funcione de forma fiable.

Sobre todo, un chaleco salvavidas debe poder soportar movimientos irregulares: en el agua, las fases de calma se alternan con breves sacudidas, giros y cambios de carga. Por tanto, el transductor debe poder recoger energía incluso si el movimiento no se produce a un ritmo constante. Además, la pantalla debe permanecer visible desde diferentes ángulos de visión a medida que el chaleco cambia de posición en la superficie del agua.

A veces se aplican requisitos diferentes para las aplicaciones de sensores: una potencia eléctrica baja puede ser suficiente si el componente detecta principalmente movimientos y la evaluación solo se realiza en determinados intervalos. Sin embargo, se necesitaría una fuente de energía mayor para la transmisión permanente de datos o para dispositivos electrónicos que consumen mucha energía. La aplicación que tiene sentido desde el punto de vista técnico depende de cuánta energía suministra el convertidor en las condiciones respectivas y de qué función de medición o señal se necesita realmente.

Para un mayor desarrollo, los científicos deben examinar la encapsulación del metal líquido, la durabilidad de los contactos y el comportamiento en condiciones ambientales cambiantes. En el documento también se proporciona una estimación de tiempo de ejecución teórico de 315,7 horas, derivada del lento consumo de galio medido y la cantidad inicial de metal. Este valor no es una prueba de resistencia medida y no demuestra una vida útil correspondientemente larga de un chaleco salvavidas. Una prueba en condiciones reales debe mostrar primero cómo se comporta la pantalla en ondas irregulares.

Xiangbo Zhou et al., Recolección de energía mecanoelectroquímica y detección autoalimentada a través de interfaces dinámicas de metal-líquido-electrolito, avances científicos; doi:10.1126/sciadv.aej0867

Universidad de Wollongong, Cómo los chalecos salvavidas autopropulsados ​​podrían convertir el movimiento de las olas en una señal de emergencia

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