Futuros robots devorarán metales para energizarse

Cuando la electrónica necesita sus propias fuentes de energía, hay dos opciones básicas: baterías y captadores.

Las baterías almacenan energía internamente, pero son por lo tanto pesadas y tienen un suministro limitado.

Los captadores, como los paneles solares, recogen la energía de sus entornos.

Esto evita algunos de los inconvenientes de las baterías, pero introduce otros nuevos, ya que solo pueden funcionar en determinadas condiciones y no pueden convertir esa energía en energía útil muy rápidamente.

Una nueva investigación de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania está cerrando la brecha entre estas dos tecnologías fundamentales por primera vez en la forma de un “carroñero metal-aire” que obtiene lo mejor de ambos mundos.

Este buscador de metal y aire funciona como una batería, ya que proporciona energía rompiendo y formando repetidamente una serie de enlaces químicos.

Pero también funciona como un recolector, ya que la energía es suministrada por la energía de su entorno: específicamente, los enlaces químicos en el metal y el aire que lo rodean.

El resultado es una fuente de energía que tiene 10 veces más densidad de energía que los mejores captadores y 13 veces más densidad de energía que las baterías de ion litio.

A largo plazo, este tipo de fuente de energía podría ser la base de un nuevo paradigma en la robótica, en el que las máquinas se mantengan energizadas buscando y “comiendo” metal, rompiendo sus enlaces químicos para obtener energía como los humanos lo hacen con la comida.

Los investigadores, James Pikul, profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, junto con Min Wang y Unnati Joshi, miembros de su laboratorio, publicaron un estudio que demuestra las capacidades de su sistema en la revista ACS Energy Letters.

La motivación para desarrollar su carroñero metal-aire, o MAS, surgió del hecho de que las tecnologías que conforman el cerebro de los robots y las tecnologías que lo potencian están fundamentalmente desparejadas cuando se trata de la miniaturización.

A medida que el tamaño de los transistores individuales se reduce, los chips proporcionan más potencia de cálculo en paquetes más pequeños y ligeros.

Pero las baterías no se benefician de la misma manera cuando se hacen más pequeñas; la densidad de los enlaces químicos en un material son fijos, por lo que las baterías más pequeñas implican necesariamente menos enlaces que romper.

“Esta relación invertida entre el rendimiento de la computación y el almacenamiento de energía hace que sea muy difícil para los dispositivos de pequeña escala y los robots operar durante largos períodos de tiempo“, dice Pikul.

“Hay robots del tamaño de los insectos, pero solo pueden operar durante un minuto antes de que su batería se agote“.

Peor aún, añadir una batería más grande no permitirá que un robot dure más tiempo; la masa añadida requiere más energía para moverse, anulando la energía extra proporcionada por la batería más grande.

La única forma de romper esta frustrante relación invertida es buscar enlaces químicos, en lugar de empaquetarlos.

“Los recolectores, como los que recogen energía solar, térmica o vibratoria, están mejorando“, dice Pikul.

“A menudo se utilizan para alimentar sensores y aparatos electrónicos que están fuera de la red y en los que no hay nadie para cambiar las baterías.

El problema es que tienen una baja densidad de potencia, lo que significa que no pueden sacar la energía del medio ambiente tan rápido como una batería puede entregarla“.

“Nuestra tecnología MAS tiene una densidad de potencia diez veces mejor que los mejores captadores, hasta el punto de que podemos competir contra las baterías“, dice.

“Está usando la química de las baterías, pero no tiene el peso asociado, porque está tomando esas sustancias químicas del medio ambiente“.

Como una batería tradicional, el sistema MAS de los investigadores comienza con un cátodo que está conectado al dispositivo que está alimentando.

Debajo del cátodo hay un trozo de hidrogel, una red esponjosa de cadenas de polímeros que conducen los electrones entre la superficie metálica y el cátodo a través de las moléculas de agua que transporta.

Con el hidrogel actuando como electrolito, cualquier superficie metálica que toca funciona como el ánodo de una batería, permitiendo que los electrones fluyan hacia el cátodo y alimenten el dispositivo conectado.

Para los propósitos de su estudio, los investigadores conectaron un pequeño vehículo motorizado al sistema MAS.

Arrastrando el hidrogel detrás de él, el vehículo MAS oxidó las superficies metálicas sobre las que viajaba, dejando una microscópica capa de óxido a su paso.

Para demostrar la eficiencia de este enfoque, los investigadores hicieron que su vehículo MAS se moviera en círculos sobre una superficie de aluminio.

El vehículo estaba equipado con un pequeño depósito que continuamente introducía agua en el hidrogel para evitar que se secara.

“La densidad de energía es la relación entre la energía disponible y el peso que debe ser transportado“, dice Pikul.

“Incluso teniendo en cuenta el peso del agua extra, el MAS tenía 13 veces la densidad de energía de una batería de iones de litio porque el vehículo solo tiene que llevar el hidrogel y el cátodo, y no el metal o el oxígeno que proporcionan la energía“.

Los investigadores también probaron los vehículos del sistema MAS con zinc y acero inoxidable.

Diferentes metales dan a los MAS diferentes densidades de energía, dependiendo de su potencial de oxidación.

Esta reacción de oxidación tiene lugar solo dentro de las primeras 100 micras de la superficie, así que mientras que el MAS puede agotar todas las uniones fácilmente disponibles con viajes repetidos, hay poco riesgo de que haga un daño estructural significativo al metal que está recogiendo.

“A medida que obtenemos robots más inteligentes y más capaces, ya no tenemos que restringirnos a enchufarlos en una pared.

Ahora pueden encontrar fuentes de energía por sí mismos, como lo hacen los humanos“, dice Pikul.

“Un día, un robot que necesite recargar sus baterías solo tendrá que encontrar algo de aluminio para ‘comer’ con un MAS, lo que le dará suficiente energía para funcionar hasta su próxima comida“.

Fuente: Noticias de la Ciencia