Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Witricidad: la electricidad sin cables

Witricidad: la electricidad sin cables

El término de witricidad es la conjunción de Wifi (Wireless fidelity, fidelidad sin cable) y electricidad. Nikola Tesla, en el siglo XIX, intentó la transmisión de energía eléctrica a distancia, sin conductores eléctricos, pero sus experimentos no pudieron continuar por falta de financiación. Sobre su genialidad ya nos ocupamos en estas páginas (consultar http://servicios.laverdad.es
/cienciaysalud/3_2_48.html).

El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, Massachusetts Institute of Technology),  en Cambridge, Massachusetts, es considerado como la mejor universidad de ciencia e ingeniería del mundo. La semana pasada un comunicado del MIT, procedente del Department of Electrical Engineering and Computer Science y del Institute for Soldier Nanotechnologies Franklin Hadley confirmaba, haber logrado el sueño de Tesla mediante el encendido a distancia de 2 metros, sin cables, de una bombilla de 60 vatios. La revista SCIENCE publicaba el trabajo on-line.

INDUCCIÓN
¿Es posible comenzar a imaginar un mundo sin cables, donde los aparatos electrónicos del hogar como portátiles, teléfonos móviles o MP3 sean capaces de funcionar sin necesidad de conectarlos a un enchufe ni depender de baterías?. La anécdota contada por el director del equipo de investigadores, el profesor Marin Soljacic es significativa. Visitando la casa de sus abuelos, su hijo de tres años, vio un teléfono clásico sobre una mesa y preguntó extrañado: “papá, por qué está enganchado con un cable a la pared el teléfono?” . El mismo Soljacic también dice que la idea comenzó a rondarle la cabeza una noche, varios años atrás, cuando escuchó los avisos de agotamiento de batería de su teléfono móvil, cosa que le ocurría por sexta vez en ese mes, comenzando a soñar en un modelo autocontrolado con la recepción inalámbrica de la electricidad.

¿Qué fenómenos físicos podrían hacer usarse?. Desde hace siglos conocemos sistemas que transportan energía sin cables. El más conocido es el de las radiaciones electromagnéticas, tales como las ondas de radio. Sin duda, son sistemas excelentes de transmisión de información, pero no de energía, por varias razones: la radiación se extiende en todas direcciones, lo que significaría un mínimo aprovechamiento cuantitativo;  el uso del láser tiene grandes dificultades prácticas e importantes peligros asociados, y  requiere una línea de visión ininterrumpida entre la fuente y el receptor (y un rayo por cada receptor posible). Además, la potencia sería suficientemente grande para que fuera peligroso, y necesitaría que la fuente fuera capaz de seguir cualquier movimiento del receptor.

La solución consistía en adaptar dos de los más conocidos principios físicos: el de la inducción magnética descubierto por Michael Faraday, hacia 1830, y el de la resonancia.

Respecto al primero, recordaremos el diálogo entre el insigne economista y entonces Ministro de Hacienda del Reino Unido, Gladstone y el gran físico. Faraday, cuando estaba trabajando en el descubrimiento de la inducción magnética base de los motores eléctricos, fue preguntando por Gladstone: ¿Para qué sirve todo esto?. La contestación fue. No lo sé, pero estoy seguro que sus sucesores cobrarán impuestos por el fruto de mi trabajo. Y es que la investigación básica siempre que sea buena es fundamental.

El principio de la inducción electromagnética de Michael Faraday, nos dice que si tenemos un campo electromagnético variable sobre un conductor (metales) en un circuito en corto, se producirá un voltaje denominado fuerza electromotriz inducida. Hasta ahora, la limitación irresoluble era que para generar voltajes significativos era necesario que tanto la fuente de electromagnetismo como el conductor que va a soportar el voltaje estuviesen a pocos milímetros de distancia. A mayor distancia no se genera un voltaje o corrientes considerables.

RESONANCIA
¿Cómo solucionarlo?. Con la resonancia acoplada magnéticamente. En la resonancia, se producen vibraciones que cada segundo aumentan una señal o fuerza hasta llegarla a un pico. Dos objetos resonantes con la misma frecuencia de resonancia tienden a intercambiar energía con eficacia, aunque estén interaccionando con otros objetos externos no resonantes. Ello permite que un niño columpiándose, con el compasado esfuerzo de sus piernas respecto al columpio produzca unos resultados excelentes: ejemplo de resonancia mecánica. Otro ejemplo (resonancia acústica): imaginemos una serie de copas conteniendo un líquido, cada una a un nivel diferente, con diferentes frecuencias de resonancia. Si un cantante emite una simple nota sonora suficientemente intensa una de las copas, de adecuada frecuencia, explosionaría sin que las restantes se afectasen.  Con una pareja de resonadores de una naturaleza (mecánica, acústica, magnética, etc.) si  se consigue que formen un sistema operativo altamente acoplado, la consecuencia es que la transferencia de energía de uno de los sistemas al otro es muy eficiente.

El equipo investigador del MIT ha encontrado la solución de resonancia magnética usando como pareja resonante dos bobinas de cobre, capaces de resonar a la misma baja frecuencia de 10 hertzios y de producir el acoplamiento entre ambas aún a distancias de unos dos metros. Con la energía que se le suministra, una de las bobinas (la fuente) crea un campo magnético no radiativo a su alrededor y en la otra bobina, de la misma frecuencia de resonancia, se induce una corriente eléctrica debida al campo magnético oscilante creado por la primera. Si se tratase de inducción “normal”, no tendría suficiente potencia para hacer funcionar nada a una distancia de dos metros, pero la resonancia hace que la segunda corriente sea suficientemente grande como para encender la bombilla.

Al operar lo único que hay alrededor de la bobina fuente es un campo magnético, sin ser afectada la señal ni por muros ni por otros electrodomésticos (que también producen electromagnetismo). La señal puede ser tapada (por ejemplo, se puede pasar por delante) sin que suceda nada ya que los campos magnéticos interaccionan muy débilmente, si lo hacen, con los materiales más comunes, incluyendo los biológicos que, además, son incapaces de resonar y de actuar como receptores. Y como el campo magnético está restringido a un área pequeña alrededor de la fuente emisora, y lo único que puede absorber esa energía eficazmente es un circuito resonante, se pierde muy poca energía.

PERSPECTIVAS
Aun parece lejano el día en que dejemos de usar los cables de alta tensión de las calles y tengamos receptores de electricidad inalámbricos en casa. Una bobina emisora relativamente pequeña tendría un alcance de unos pocos metros y podría ser suficiente para que fuera práctica dentro de la casa. Podríamos tener, por ejemplo, una fuente en el salón con un alcance de tres o cuatro metros y que el portátil, la televisión, teléfonos móviles, mp3, etc. tuvieran bobinas resonantes que los hicieran funcionar  eliminando la necesidad de conexiones y de baterías, caras y contaminantes.

Entre las actuales limitaciones están que las distancias de transmisión han de ser cortas, sobre todo si las unidades receptoras son de pequeño tamaño y que según los resultados obtenidos el sistema tiene una pérdida de transferencia de energía cercana al 50%. Pero en palabras del profesor Soljacic "estos resultados son magníficos y no están para nada alejados de lo que normalmente consideramos útil".