Utilizando polímeros conductores flexibles y nuevos patrones de circuitos impresos en papel, los investigadores han demostrado generadores termoeléctricos portátiles de prueba de concepto que pueden recolectar energía del calor corporal para alimentar biosensores simples para medir la frecuencia cardíaca, la respiración u otros factores.
Debido a sus patrones de cableado fractales simétricos, los dispositivos se pueden cortar al tamaño necesario para proporcionar los requisitos de voltaje y potencia para aplicaciones específicas. Los generadores modulares se pueden imprimir con inyección de tinta en sustratos flexibles, incluida tela, y fabricarse con rodillos de bajo costo.técnicas de rodar.
"La atracción de los generadores termoeléctricos es que hay calor a nuestro alrededor", dijo Akanksha Menon, estudiante de doctorado en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia ". Si podemos aprovechar un pocode ese calor y convertirlo en electricidad a bajo costo, tiene un gran valor. Estamos trabajando en cómo producir electricidad con el calor del cuerpo ".
La investigación, apoyada por PepsiCo, Inc. y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, se informó en línea en el Revista de Física Aplicada el 28 de septiembre th .
Los generadores termoeléctricos, que convierten la energía térmica directamente en electricidad, han estado disponibles durante décadas, pero los diseños estándar utilizan materiales inorgánicos inflexibles que son demasiado tóxicos para su uso en dispositivos portátiles. La potencia de salida depende del diferencial de temperatura que se puede crear entre dos ladosde los generadores, lo que hace que, dependiendo del calor corporal, sea un desafío. Obtener suficiente energía térmica de un área de contacto pequeña en la piel aumenta el desafío, y la resistencia interna en el dispositivo en última instancia limita la potencia de salida.
Para superar eso, Menon y sus colaboradores en el laboratorio del profesor asistente Shannon Yee diseñaron un dispositivo con miles de puntos compuestos de polímeros alternos de tipo p y tipo n en un diseño muy compacto. Su patrón convierte más calor por unidad de áreadebido a las grandes densidades de empaquetamiento habilitadas por las impresoras de inyección de tinta. Al colocar los puntos de polímero más juntos, la longitud de la interconexión disminuye, lo que a su vez reduce la resistencia total y da como resultado una mayor potencia de salida del dispositivo.
"En lugar de conectar los puntos de polímero con un patrón de cableado serpentino tradicional, estamos utilizando patrones de cableado basados en curvas de relleno de espacio, como el patrón de Hilbert, una curva de relleno de espacio continuo", dijo Kiarash Gordiz, coautorquien trabajó en el proyecto mientras era estudiante de doctorado en Georgia Tech. "La ventaja aquí es que los patrones de Hilbert permiten la conformación de la superficie y la auto-localización, lo que proporciona una temperatura más uniforme en todo el dispositivo".
El nuevo diseño del circuito también tiene otro beneficio: su diseño fractalmente simétrico permite que los módulos se corten a lo largo de los límites entre áreas simétricas para proporcionar exactamente el voltaje y la potencia necesarios para una aplicación específica. Eso elimina la necesidad de convertidores de potencia que agreguen complejidad yquitar el poder del sistema
"Esto es valioso en el contexto de los dispositivos portátiles, donde se desean la menor cantidad de componentes posible", dijo Menon. "Creemos que esta podría ser una forma realmente interesante de expandir el uso de termoeléctricos para dispositivos portátiles".
Hasta ahora, los dispositivos se han impreso en papel ordinario, pero los investigadores han comenzado a explorar el uso de telas. Tanto el papel como la tela son flexibles, pero la tela podría integrarse fácilmente en la ropa.
"Queremos integrar nuestro dispositivo en los textiles comerciales que la gente usa todos los días", dijo Menon. "Las personas se sentirían cómodas usando estas telas, pero podrían alimentar algo con solo el calor de sus cuerpos".
Con el novedoso diseño, los investigadores esperan obtener suficiente electricidad para alimentar sensores pequeños, en el rango de microvatios a milivatios. Eso sería suficiente para sensores de frecuencia cardíaca simples, pero no para dispositivos más complejos como rastreadores de ejercicios o teléfonos inteligentes. Los generadorestambién podría ser útil para complementar las baterías, permitiendo que los dispositivos funcionen por períodos más largos de tiempo.
Entre los desafíos futuros se encuentran proteger los generadores de la humedad y determinar qué tan cerca deben estar de la piel para transferir energía térmica, mientras permanecen cómodos para los usuarios.
Los investigadores usan materiales de tipo p disponibles comercialmente y están trabajando con químicos en Georgia Tech para desarrollar mejores polímeros de tipo n para las generaciones futuras de dispositivos que pueden operar con diferenciales de temperatura pequeños a temperatura ambiente. El calor corporal produce diferenciales tan pequeñoscomo cinco grados, en comparación con cien grados para generadores utilizados como parte de tuberías y líneas de vapor.
"Un beneficio futuro de esta clase de material polimérico es el potencial de un material termoeléctrico abundante y de bajo costo que tenga una conductividad térmica inherentemente baja", dijo Yee, quien dirige el laboratorio como parte de la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff"La comunidad de la electrónica orgánica ha realizado enormes avances en la comprensión de las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales basados en polímeros. Estamos aprovechando ese conocimiento para comprender el transporte térmico y termoeléctrico en estos polímeros para permitir la funcionalidad del nuevo dispositivo".
Entre las otras perspectivas para los materiales que se están desarrollando están los dispositivos de enfriamiento localizados que invierten el proceso, usando electricidad para mover la energía térmica de un lado a otro del dispositivo. El enfriamiento de solo partes del cuerpo podría proporcionar la percepción de comodidad sin el costode aire acondicionado de gran espacio, dijo Yee.
Un misterio cósmico: el telescopio de ESO captura la desaparición de una estrella masiva
Para encontrar agujeros negros gigantes, comience con Júpiter
Monster Black Hole encontrado en el Universo Temprano
¿Por qué las plantas son verdes?
Teletransportación: paso importante para mejorar la computación cuántica
Mayor concentración de metal en los cráteres de la luna proporciona nuevas ideas sobre su origen