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Ana Borrás en el laboratorio del ICMS
La investigadora del Instituto de Ciencia de los Materiales de Sevilla y jefa del Grupo de Nanotecnologías en Superficies y Plasma, Ana Borrás, ha obtenido el Premio Losada Villasante a la Investigación en Innovación por su trabajo sobre "Análisis sobre materiales avanzados para la captación de energía ambiental". Su investigación parte del concepto de “multisource micro-scale energy harvesting” o recolección de energía ambiental o residual y es el objetido del trabajo en el que se encuentra actualmente su grupo, el Proyecto 3DScavengers.
Ana Borrás nos explica que las energías cinética, térmica y solar están de forma omnipresentes en nuestro entorno bajo diversas formas como vibraciones, cambios y gradientes de temperatura, iluminación solar y artificial, etc. pero su conversión mediante dispositivos de pequeña escala está limitada debido a la naturaleza intermitente y aleatoria de estas fuentes. Como respuesta a estas limitaciones, la comunidad científica ha comenzado a plantear muy recientemente el desarrollo de sistemas capaces de recolectar de varias fuentes simultáneamente o de forma secuencial pero usando un único dispositivo, nanogeneradores híbridos o multifuente.
Estos nanogeneradores trabajan bajo dos principios: 1) combinar diferentes recolectores de una sola fuente en un dispositivo, o 2) usar materiales multifuncionales capaces de convertir simultáneamente varias fuentes de energía en electricidad. En 1), la eficiencia por unidad de volumen puede disminuir en comparación con los recolectores individuales; en 2), aún se requiren grandes avances para optimizar la funcionalidades y fabricación sostenible a gran escala de materiales multifuncionales que se presentan como candidatos potenciales, como algunos semiconductores piezoeléctricos, óxidos y poliméros ferroeléctricos y perovskitas híbridas.
El objetivo principal del proyecto ERC StG 3DScavengers en el que se trabaja en el grupo Nanotechnology on Surfaces and Plasmas, es precisamente llenar el vacío entre estos enfoques ofreciendo una solución “todo en uno” para la captación de energía de múltiples fuentes, basada en el diseño a nanoescala de materiales tridimensionales multifuncionales. Estas nanoarquitecturas permitirán la conversión individual o simultánea de fuentes de micro energía ambiental explotando los efectos fotovoltaicos, triboeléctricos, piezoeléctricos y piroeléctricos, minimizando el coste medioambiental de su síntesis.
Para ello, un avance fundamental esperado en este proyecto es la demostración de la potencialidad de una nueva aproximación de fabricar estos dispositivos, basada en un protocolo sintético “one-reactor”. La idea consiste en combinar en un único reactor de vacío las técnicas de fabricación y procesado necesarias para sintentizar los distintos componentes de estos dispositivos. Entre estas técnicas, la implementación de tecnología de plasma permitirá fabricar estos nanomateriales sin necesidad de procesos de alta temperatura por lo que se espera no sólo dar el paso a la fabricación escalable industrialmente si no también a una síntesis sostenible y de corto payback para estos dispositivos.
Una de las ventajas principales de la aproximación “one-reactor” es que combina técnicas de fabricación como evaporación térmica, magnetrón sputtering y deposición química en vacío asistida por plasma, que ya son utilizadas de forma global en la fabricación de componentes a gran escala para óptica, en microelectrónica, en paneles fotovoltáicos, etc. Esto permite imaginar los nanogeneradores diseñados en 3DScavengers funcionando a muy diferentes escalas, desde nano y microdispositivos a captadores de gran tamaño. Aunque la primera prueba de concepto de 3DScavenger consistía en desarrollar dispositivos wearables para la recolección de residuos en interiores y exteriores el método “one-reactor” allanará el camino hacia la aplicación de los enfoques 3DScavengers en la recolección de energía a la macroescala. Más del 20% del aporte de energía consumida a nivel industrial se pierde debido a vibraciones y fluctuaciones de temperatura variables, la recuperación aunque fuera sólo de una pequeña fracción de esta energía perdida tendría un impacto ambiental y económico transformador y avanzaría la agenda de sostenibilidad europea. Además, estos nanogeneradores pueden proporcionar energía a redes de sensores inalámbricos autoalimentados para monitorear edificios, la salud humana y el medio ambiente o usarse como una fuente de energía auxiliar para dispositivos electrónicos portátiles y portátiles, un mercado que alcanzará los 75 mil millones de dispositivos en 2025.
Este proyecto acaba de cumplir un año y medio de implementación en el CSIC, pero los primeros resultados ya están disponibles. Así Ana Borrás y su grupo acaban de enviar la primera patente europea en el desarrollo de paneles de lluvia, basados en el efecto triboeléctrico o de captación de energía cinética mediante contacto intermitente. Estos paneles serían compatibles con su combinación con paneles solares, de forma que los paneles serían activos tanto bajo el sol como bajo el impacto de gotas de lluvia.
También han demostrado como el método “one-reactor” permite la fabricación de sistemas híbridos piezoeléctricos y triboeléctricos que permiten la conversión de energía cinética en forma de vibraciones de baja frecuencias, como las que encontramos en la naturaleza y las producidas por el movimiento corporal e incluso la voz. Una gran ventaja de estos dispositivos híbridos es que funcionan bajo un amplio rango de frecuencias de la vibración.
Por último, recalcar también que 3DScavengers ha comenzado a fabricar nanodispositivos solares. El ejemplo que aparece en la imagen puede ser una de las celdas solared más pequeña que se han fabricado y consiste en una estructura de nanoshells formadas alrededor de un núcleo, cada shell añade una funcionalidad a esta nanoarquitectura y todas en conjunto forman una microcelda de perovskita híbrida.
Para más referencias:
https://3dscavengers.icms.us-csic.es/
https://cordis.europa.eu/project/id/851929/es
ENERGY HARVESTING DEVICE AND SELF-POWERED SENSOR USING THE SAME. Request for grant of a European patent; Submission number 300421722; Application number EP21382786.8
Plasma engineering of microstructured piezo - triboelectric hybrid nanogenerators for wide bandwidth vibration energy harvesting. Xabier García-Casas, Ali Ghaffarinehad, Francisco J Aparicio, Javier Castillo-Seoane, Carmen López-Santos, Juan P Espinós, José Cotrino, Juan Ramón Sánchez-Valencia, Ángel Barranco, Ana Borrás Nano Energy, 2021. NANOEN-D-21-03086R1, arXiv:2108.09692 https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106673
El equipo de 3DScavengers: Ana Borrás, Juan R. Sánchez-Valencia, Lidia Contreras, Xabier García Casas, Javier Castillo Seoane, Francisco Javier Aparicio Rebollo, Ali Ghaffarinejad, Jorge Budagosky
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