La transmisión de energía práctica se vuelve real

Un siglo después, el sueño de Nikola Tesla se hace realidad

Un sistema de transmisión de energía desarrollado por PowerLight Technologies transmitió cientos de vatios de energía durante una demostración de 2019 en el puerto de Seattle.

Los cables tienen mucho ir por ellos cuando se trata de mover la energía eléctrica, pero también tienen sus inconvenientes. ¿Quién, después de todo, no se ha cansado de tener que enchufar y desenchufar su teléfono y otros artilugios recargables? Es una molestia.

Los cables también desafían a las empresas eléctricas: estas empresas deben esforzarse por aumentar el voltaje que aplican a sus cables de transmisión a valores muy altos para evitar disipar la mayor parte de la energía en el camino. Y cuando se trata de impulsar el transporte público, incluidos los trenes y tranvías eléctricos, los cables deben usarse junto con contactos rodantes o deslizantes, que son difíciles de mantener, pueden generar chispas y, en algunos entornos, generarán contaminantes problemáticos.

Mucha gente está ansiosa por encontrar soluciones a estos problemas; sea testigo de la adopción generalizada durante la última década de la carga inalámbrica, principalmente para dispositivos electrónicos de consumo portátiles, pero también para vehículos. Si bien un cargador inalámbrico le evita tener que conectar y desconectar cables repetidamente, la distancia a la que se puede entregar la energía de esta manera es bastante corta. De hecho, es difícil recargar o alimentar un dispositivo cuando el espacio de aire es de unos pocos centímetros, y mucho menos de unos pocos metros. ¿Realmente no existe una forma práctica de enviar energía a grandes distancias sin cables?

Para algunos, toda la noción de transmisión de energía inalámbrica evoca imágenes de Nikola Tesla con bobinas de alto voltaje que arrojan relámpagos en miniatura. Esta no sería una conexión tan tonta de hacer. De hecho, Tesla había seguido la idea de utilizar de alguna manera la tierra y la atmósfera como conducto para la transmisión de energía a larga distancia, un plan que no llegó a ninguna parte. Pero su sueño de enviar energía eléctrica a grandes distancias sin cables ha persistido.

Para subrayar lo seguro que era el sistema, el presentador del programa científico de la BBC "Bang Goes the Theory" metió la cara por completo en un rayo de energía.

Guglielmo Marconi, quien fue contemporáneo de Tesla, descubrió cómo usar las "ondas hertzianas", u ondas electromagnéticas, como las llamamos hoy, para enviar señales a largas distancias. Y ese avance trajo consigo la posibilidad de utilizar el mismo tipo de ondas para llevar energía de un lugar a otro. Después de todo, así es como llegó aquí originalmente toda la energía almacenada en la madera, el carbón, el petróleo y el gas natural: se transmitió 150 millones de kilómetros a través del espacio como ondas electromagnéticas (luz solar), la mayor parte hace millones de años.

¿Se puede aprovechar la misma física básica para reemplazar los cables hoy? Mis colegas y yo en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU., en Washington, DC, pensamos que sí, y estas son algunas de las razones.

Ha habido esfuerzos esporádicos durante el siglo pasado para utilizar ondas electromagnéticas como un medio de transmisión de energía inalámbrica, pero estos intentos produjeron resultados mixtos. Quizás el año dorado para la investigación sobre la transmisión inalámbrica de energía fue 1975, cuando William Brown, que trabajaba para Raytheon, y Richard Dickinson del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (ahora retirado) usaron microondas para transmitir energía a través de un laboratorio con más del 50 por ciento de extremo a extremo. -eficacia final. En una demostración separada, pudieron entregar más de 30 kilovatios en una distancia de aproximadamente una milla (1,6 kilómetros).

Estas demostraciones fueron parte de una campaña más grande de la NASA y el Departamento de Energía de EE. UU. para explorar la viabilidad de los satélites de energía solar que, según se propuso, algún día recolectarían la luz solar en el espacio y la enviarían a la Tierra en forma de microondas. Pero debido a que esta línea de investigación fue motivada en gran parte por la crisis energética de la década de 1970, el interés en los satélites de energía solar disminuyó en las décadas siguientes, al menos en los Estados Unidos.

Aunque los investigadores revisan la idea de los satélites de energía solar con cierta regularidad, aquellos que realizan demostraciones reales de transmisión de energía han luchado por superar la marca máxima de eficiencia, distancia y nivel de potencia alcanzada en 1975. Pero esa situación está comenzando a cambiar, gracias a varios avances recientes en las tecnologías de transmisión y recepción.

Durante una demostración de 2019 en el Naval Surface Warfare Center en Bethesda, Maryland, este rayo láser transmitió de manera segura 400 vatios a una distancia de 325 metros. Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

La mayoría de los primeros esfuerzos para transmitir energía se limitaron a las frecuencias de microondas, la misma parte del espectro electromagnético que hoy en día está repleta de Wi-Fi, Bluetooth y varias otras señales inalámbricas. Esa elección se debió, en parte, al simple hecho de que se disponía fácilmente de equipos eficientes de transmisión y recepción de microondas.

Pero ha habido mejoras en la eficiencia y una mayor disponibilidad de dispositivos que funcionan a frecuencias mucho más altas. Debido a las limitaciones impuestas por la atmósfera en la transmisión efectiva de energía dentro de ciertas secciones del espectro electromagnético, los investigadores se han centrado en las microondas, las ondas milimétricas y las frecuencias ópticas. Si bien las frecuencias de microondas tienen una ligera ventaja en lo que respecta a la eficiencia, requieren antenas más grandes. Por lo tanto, para muchas aplicaciones, los enlaces ópticos o de ondas milimétricas funcionan mejor.

Para los sistemas que utilizan microondas y ondas milimétricas, los transmisores suelen emplear amplificadores electrónicos de estado sólido y antenas de matriz en fase, parabólicas o de metamaterial. El receptor de microondas u ondas milimétricas utiliza una serie de elementos llamados rectennas. Esta palabra, un acrónimo de rectificador y antena, refleja cómo cada elemento convierte las ondas electromagnéticas en electricidad de corriente continua.

Cualquier sistema diseñado para la transmisión de energía óptica probablemente usaría un láser, uno con un haz estrechamente confinado, como un láser de fibra. Los receptores para la transmisión de energía óptica son celdas fotovoltaicas especializadas diseñadas para convertir una sola longitud de onda de luz en energía eléctrica con una eficiencia muy alta. De hecho, las eficiencias pueden superar el 70 por ciento, más del doble que una celda solar típica.

En el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU., hemos pasado la mayor parte de los últimos 15 años buscando diferentes opciones para la transmisión de energía e investigando aplicaciones potenciales. Estos incluyen extender los tiempos de vuelo y las capacidades de carga útil de los drones, impulsar satélites en órbita cuando están en la oscuridad, impulsar rovers que operan en regiones permanentemente sombreadas de la luna, enviar energía a la superficie de la Tierra desde el espacio y distribuir energía a las tropas en el campo de batalla.

Podrías pensar que un dispositivo para enviar grandes cantidades de energía a través del aire en un haz angosto suena como un rayo de la muerte. Esto llega al corazón de una consideración crítica: la densidad de potencia. Técnicamente, son posibles diferentes densidades de potencia, que van desde demasiado bajas para ser útiles hasta lo suficientemente altas para ser peligrosas. Pero también es posible encontrar un medio feliz entre estos dos extremos. Y también hay formas inteligentes de permitir que los haces con densidades de alta potencia se utilicen de forma segura. Eso es exactamente lo que hizo un equipo del que formé parte en 2019, y hemos ampliado con éxito este trabajo desde entonces.

Uno de nuestros socios de la industria, PowerLight Technologies, anteriormente conocido como LaserMotive, ha estado desarrollando sistemas de transmisión de energía basados ​​en láser durante más de una década. Reconocida por ganar el Power Beaming Challenge de la NASA en 2009, esta empresa no solo ha logrado el éxito en la potenciación de escaladores robóticos, cuadricópteros y drones de ala fija, sino que también ha profundizado en los desafíos de la transmisión segura de energía con láser. Esa es la clave, porque muchos grupos de investigación han demostrado la transmisión de energía láser a lo largo de los años, incluidos los equipos del Laboratorio de Investigación Naval, la Universidad de Kindai, el Instituto de Tecnología de Beijing, la Universidad de Colorado Boulder, JAXA, Airbus y otros, pero solo unos pocos haberlo logrado de una manera que es verdaderamente segura bajo todas las circunstancias plausibles.

Ha habido muchas demostraciones de transmisión de energía a lo largo de los años, utilizando microondas [azul] o láser [rojo], y el récord de potencia máxima se estableció en 1975 [arriba]. En 2021, el autor y sus colegas ocuparon el segundo y tercer lugar por el nivel de potencia máxima alcanzado en tales experimentos, tras haber emitido más de un kilovatio a distancias que excedían un kilómetro, utilizando antenas mucho más pequeñas. David Schneider

Quizás la demostración más espectacular de la transmisión segura de energía láser antes del esfuerzo de nuestro equipo fue la de la compañía Lighthouse Dev en 2012. Para subrayar cuán seguro era el sistema, el presentador del programa científico de la BBC "Bang Goes the Theory" metió la cara por completo en un haz de energía enviado entre edificios en la Universidad de Maryland. Esta demostración en particular aprovechó el hecho de que algunas longitudes de onda infrarrojas son un orden de magnitud más seguras para sus ojos que otras partes del espectro infrarrojo.

Esa estrategia funciona para sistemas de potencia relativamente baja. Pero a medida que aumenta el nivel, pronto llega a densidades de potencia que plantean problemas de seguridad, independientemente de la longitud de onda utilizada. ¿Entonces que? Aquí es donde el sistema que hemos demostrado se destaca. Mientras enviaba más de 400 vatios a una distancia que excedía los 300 metros, el haz estaba contenido dentro de un recinto virtual, uno que podía detectar un objeto que lo golpeaba y activaba el equipo para cortar la energía del haz principal antes de que se produjera algún daño. Otras pruebas han demostrado cómo las distancias de transmisión pueden superar un kilómetro.

Las pruebas cuidadosas (para las cuales no se utilizaron anfitriones de programas científicos de la BBC) verificaron a nuestra satisfacción la funcionalidad de esta función, que también pasó la prueba con la Junta de Revisión de Seguridad Láser de la Marina. Durante el transcurso de nuestra demostración, el sistema probó aún más su valía cuando, en varias ocasiones, los pájaros volaron hacia el rayo, apagándolo, pero solo momentáneamente. Verá, el sistema monitorea el volumen que ocupa el haz, junto con su entorno inmediato, lo que permite que el enlace de energía se restablezca automáticamente cuando el camino vuelve a estar despejado. Piense en ello como una versión más sofisticada de un sensor de seguridad de puerta de garaje, donde la interrupción de un haz de protección activa el motor que acciona la puerta para que se apague.

Los 400 vatios que pudimos transmitir no fueron, ciertamente, una gran cantidad, pero fueron suficientes para prepararnos un poco de café.

Para nuestras demostraciones, los observadores que asistieron pudieron caminar entre el transmisor y el receptor sin necesidad de usar gafas de seguridad para láser ni tomar ninguna otra precaución. Eso es porque, además de diseñar el sistema para que pueda apagarse automáticamente, tuvimos cuidado de considerar los posibles efectos de los reflejos del receptor o la dispersión de la luz de las partículas suspendidas en el aire a lo largo del camino del haz.

El año pasado, el autor y sus colegas llevaron a cabo una demostración en las instalaciones de prueba Blossom Point del Ejército de EE. UU. al sur de Washington, DC. Usaron microondas de 9,7 gigahercios para enviar 1.649 vatios (potencia máxima) desde un transmisor equipado con un parabólico de 5,4 metros de diámetro. plato [arriba] sobre una distancia de 1.046 metros a una "recta" de 2 por 2 metros [centro] montada en una torre [abajo], que transformó el haz en energía eléctrica utilizable. Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

Los 400 watts que pudimos transmitir no fueron, ciertamente, una gran cantidad, pero fueron suficientes para prepararnos un poco de café, continuando con lo que se ha vuelto de rigueur en esta línea de experimentación: hacer una bebida caliente. (Los investigadores japoneses que iniciaron esta tradición en 2015 se prepararon un poco de té).

Nuestro próximo objetivo es aplicar la transmisión de energía, con medidas de seguridad totalmente integradas, a las plataformas móviles. Para eso, esperamos aumentar la distancia recorrida y la cantidad de energía entregada.

Pero no estamos solos: otros gobiernos, empresas establecidas y nuevas empresas de todo el mundo están trabajando para desarrollar sus propios sistemas de transmisión de energía. Japón ha sido durante mucho tiempo un líder en transmisión de energía láser y de microondas, y China ha cerrado la brecha si no se ha adelantado, al igual que Corea del Sur.

A nivel de electrónica de consumo, hay muchos jugadores: Powercast, Ossia, Energous, GuRu y Wi-Charge entre ellos. Y el gigante tecnológico multinacional Huawei espera que la energía se transmita para cargar teléfonos inteligentes dentro de "dos o tres [teléfonos] generaciones".

Para aplicaciones industriales, compañías como Reach Labs, TransferFi, MH GoPower y MetaPower están avanzando en el empleo de transmisión de energía para resolver el espinoso problema de mantener las baterías para robots y sensores, en almacenes y en otros lugares, al máximo y listas para funcionar. A nivel de red, Emrod y otros están intentando escalar la transmisión de energía a nuevas alturas.

En el frente de I+D, nuestro equipo demostró durante el año pasado una transmisión segura de energía inalámbrica por microondas de 1,6 kilovatios en una distancia de un kilómetro. Compañías como II-VI Aerospace & Defense, Peraton Labs, Lighthouse Dev y otras también han hecho avances impresionantes recientemente. Hoy en día, nuevas empresas ambiciosas como Solar Space Technologies, Solaren, Virtus Solis y otras que operan en modo sigiloso están trabajando arduamente para ser las primeras en lograr la transmisión de energía práctica desde el espacio a la Tierra.

A medida que estas empresas establezcan antecedentes comprobados de seguridad y presenten argumentos convincentes sobre la utilidad de sus sistemas, es probable que veamos surgir arquitecturas completamente nuevas para enviar energía de un lugar a otro. Imagine drones que puedan volar por períodos indefinidos y dispositivos eléctricos que nunca necesiten ser enchufados, nunca, y poder proporcionar energía a las personas en cualquier parte del mundo cuando huracanes u otros desastres naturales devastan la red eléctrica local. Reducir la necesidad de transportar combustible, baterías u otras formas de energía almacenada tendrá consecuencias de largo alcance. No es la única opción cuando no se pueden tender cables, pero mis colegas y yo esperamos que, dentro del conjunto de posibles tecnologías para proporcionar electricidad a lugares remotos, la transmisión de energía brille, literalmente.

Este artículo aparece en la edición impresa de junio de 2022 como "Poder espeluznante a distancia".