- Los investigadores de Georgia Tech han ideado un concepto para una red eléctrica inalámbrica que se ejecuta en las frecuencias de ondas milimétricas de 5G.
- Debido a que las estaciones base 5G transmiten datos a través de ondas electromagnéticas densamente empaquetadas, los científicos han diseñado un dispositivo para capturar esa energía.
- La estrella del espectáculo es una lente Rotman especializada que puede recolectar la energía electromagnética de 5G desde todas las direcciones.
Si alguna vez ha tenido un rastreador Tile (una baliza Bluetooth cuadrada y blanca que se conecta a su teléfono para ayudarlo a controlar su billetera, llaves o cualquier otra cosa que esté propenso a perder), está familiarizado con Internet de bajo consumo dispositivos de las cosas (IoT).
Al igual que otros dispositivos pequeños de IoT, desde asistentes de voz hasta pequeños sensores químicos que pueden detectar fugas de gas, los rastreadores Tile requieren una fuente de alimentación. No es realista conectar estos dispositivos a una toma de corriente, y tener que cambiar constantemente las baterías es una pérdida de tiempo que, en última instancia, es perjudicial para el medio ambiente.
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Pero, ¿y si pudiera cargar esos dispositivos de forma inalámbrica con una fuente de alimentación que ya está a su alrededor? Los investigadores de Georgia Tech han ideado este tipo de “red de energía inalámbrica” con un pequeño dispositivo que recolecta la energía electromagnética que emiten rutinariamente las estaciones base 5G.
Al igual que las torres de telefonía celular 3G y 4G anteriores, las estaciones base 5G irradian energía electromagnética. Por el momento, solo estamos aprovechando estas preciosas bandas de energía para transferir datos (lo que te ayuda a descargar tu serie favorita de Netflix a la velocidad del rayo).
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Con un poco de ingeniería astuta, es posible usar las ondas de energía de 5G como una forma de energía inalámbrica, dice Manos Tentzeris, Ph.D., profesor de electrónica flexible en Georgia Tech. Dirige el grupo de investigación ATHENA de la universidad, donde su equipo ha fabricado una lente Rotman especializada “rectenna” que hace posible esta recolección de energía.
Si la idea despega, este pequeño dispositivo, que en realidad es una pequeña pegatina de alta tecnología, puede usar la red eléctrica inalámbrica para cargar muchos más dispositivos que solo su rastreador Tile. Sus proveedores de telefonía celular podrían comenzar a emitir electricidad para alimentar todo tipo de pequeños dispositivos electrónicos, desde drones de reparto hasta etiquetas de rastreo para paletas en un “almacén inteligente”. Las posibilidades son realmente infinitas.
“Si habla de la implementación en el mundo real de todos estos proyectos ambiciosos, como IoT, ciudades inteligentes o gemelos digitales … necesita tener sensores inalámbricos en todas partes”, dice Tentzeris. Pop Mech. “Pero actualmente, todos necesitan tener baterías”.
Pero espera, ¿cómo genera energía 5G?
canción de Pengimágenes falsas
Comencemos con lo básico: 5G técnicamente es energía.
5G puede parecer una caja negra para aquellos de nosotros que no somos ingenieros eléctricos, pero la premisa depende de algo que todos podemos entender: la energía electromagnética. Considere el espectro visible o toda la luz que pueda ver. Existe a lo largo del espectro electromagnético más amplio, pero en realidad es solo un destello.
En el gráfico a continuación, puede ver que el espectro visible está entre la luz ultravioleta y la infrarroja, o entre 400 y 700 nanómetros. A medida que aumenta la energía a lo largo del espectro electromagnético, las ondas se vuelven cada vez más cortas; observe que los rayos gamma son mucho más poderosos y tienen ondas más densamente empaquetadas que la radio FM, por ejemplo. Los ojos humanos no pueden detectar estas ondas de energía.
Principios de química estructural
5G también es invisible y opera a una frecuencia más alta que otros estándares de comunicación a los que estamos acostumbrados, como 3G o 4G. Esas redes funcionan en frecuencias entre aproximadamente 1 y 6 gigahercios, mientras que los expertos dicen que 5G se encuentra más cerca de la banda entre 24 y 90 gigahercios.
Debido a que las ondas 5G funcionan a una frecuencia más alta, son más potentes, pero también de menor longitud. Esta es la razón principal por la que se requiere una nueva infraestructura (como pequeñas celdas 5G instaladas en postes de servicios públicos) para la implementación de 5G: las ondas tienen características diferentes. Las ondas más cortas, por ejemplo, verán más interferencia de objetos como árboles y rascacielos, e incluso gotas de lluvia o copos de nieve.
Pero no piense en la constelación de estaciones base 5G de una ciudad como un desperdicio. Los viejos estándares, como 3G y 4G, son conocidos por emitir energía de forma indiscriminada desde torres de servicio masivas en todas direcciones, transmitiendo cantidades significativas de energía sin explotar. Las estaciones base 5G son mucho más eficientes, dice Jimmy Hester, Ph.D., un alumno de Georgia Tech que se desempeña como asesor principal de laboratorio del grupo ATHENA.
“Debido a que operan a altas frecuencias, [5G base stations] son mucho más capaces de focalizar [power]. Entonces, en cierto sentido, hay menos desperdicio “, dice Hester. Pop Mech. “De lo que estamos hablando es más de una activación intencional de los dispositivos, en sí mismos, al focalizar el rayo hacia el dispositivo para encenderlo y encenderlo”.
Una lente de ‘tarántula’ toma forma
Hay un inconveniente en esta focalización eficiente: las estaciones base 5G transmiten energía en un campo de visión limitado. Piense en ello como un rayo de energía que se mueve en una dirección, en lugar de un círculo de energía que emana de una torre. Los investigadores lo llaman “rayo de lápiz”. ¿Cómo podría un pequeño dispositivo captar con precisión la energía de todas estas estaciones base dispersas, especialmente cuando no se puede ver la dirección en la que viajan las ondas?
Ingrese la lente Rotman, la tecnología clave detrás del innovador dispositivo de recolección de energía del equipo. Puede ver las lentes Rotman en funcionamiento en aplicaciones militares, como los sistemas de vigilancia por radar destinados a identificar objetivos en todas las direcciones sin tener que mover la antena. Esta no es la lente prototípica que está acostumbrado a ver en un par de anteojos o en un microscopio. Es una lente flexible con respaldo de metal, explica el equipo en un nuevo artículo de investigación publicado en Informes científicos.
“De la misma manera que el objetivo de la cámara recoge todos los [light] ondas desde cualquier dirección, y lo combina en un punto … para crear una imagen, así es exactamente como [this] la lente funciona “, dice Aline Eid, estudiante de doctorado e investigadora principal del laboratorio ATHENA Pop Mech. “La lente es como una tarántula … porque una tarántula tiene seis ojos, y nuestro sistema también puede mirar en seis direcciones diferentes”.
La lente Rotman aumenta el campo de visión del dispositivo colector de energía desde el “rayo de lápiz” de aproximadamente 20 grados a más de 120 grados, dice Eid, lo que facilita la recolección de energía de ondas milimétricas en la banda de 28 gigahercios. Entonces, incluso si pegaste la pegatina en un dron en movimiento, aún podrías recolectar energía de manera confiable de las estaciones base 5G en toda la ciudad.
“Si coloca estos dispositivos en una ventana, o si coloca estos dispositivos en un poste de luz o en el medio de un huerto, no conocerá el mapa de las estaciones base de mayor potencia”, explica Tentzeris. “Tuvimos que hacer que nuestros dispositivos de cosecha fueran independientes de la dirección”.
Su plan de telefonía celular, reinventado
Cortesía de Christopher Moore / Georgia Tech
Tentzeris dice que él y sus colegas están buscando financiamiento y ansiosos por trabajar con compañías de telecomunicaciones. Tiene sentido: estas empresas podrían integrar las pegatinas rectenna en las ciudades para aumentar las redes 5G que ya están construyendo. El resultado final podría ser una especie de plan de telefonía celular de la nueva era.
“A principios de la década de 2000, las empresas pasaron de la voz a los datos. Ahora, al usar esta tecnología, también pueden agregar potencia a los datos y la comunicación”, dice Tentzeris.
En este momento, las etiquetas adhesivas rectenna no pueden recolectar una gran cantidad de energía, solo alrededor de 6 microvatios de electricidad, o lo suficiente para alimentar algunos dispositivos pequeños de IoT, desde 180 metros de distancia. Pero en las pruebas de laboratorio, el dispositivo aún puede recolectar aproximadamente 21 veces más energía que dispositivos similares en desarrollo.
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Además, la accesibilidad está del lado del equipo, ya que el sistema es completamente imprimible. Tentzeris dice que solo cuesta unos centavos producir una unidad mediante la fabricación aditiva. Con eso en mente, dice que es posible incrustar la calcomanía rectenna en un dispositivo portátil o incluso coserla en la ropa.
“La escalabilidad fue muy importante, estamos hablando de miles de millones de dispositivos”, dice Tentzeris. “Podría tener un gran prototipo funcionando en el laboratorio, pero cuando alguien pregunta, ‘¿Todos pueden usarlo?’ necesitas poder decir que sí “.
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