Imagínate entrar en un aeropuerto o un supermercado y tu teléfono móvil empieza a cargarse de forma automática. Esto podría ser realidad algún día, gracias a un nuevo sistema de carta inalámbrica por láser que supera algunos de los retos que ha obstaculizado los anteriores intentos de desarrollar sistemas de carga seguros y cómodos sobre la marcha. 

En un paper recientemente publicado en la revista científica, Optics Express, investigadores de la Universidad de Sejong en Corea del Sur, describen este nuevo sistema que utiliza luz infrarroja para transferir con seguridad altos niveles de potencia. Las pruebas de laboratorio demostraron que podía transferir 400 mW de potencia luminosa a distancias de hasta 30 metros. Esta potencia es suficiente para cargar sensores y, con un mayor desarrollo, podría aumentarse hasta los niveles necesarios para cargar dispositivos móviles. 

“La capacidad de alimentar dispositivos de forma inalámbrica podría eliminar la necesidad de llevar cables de alimentación para nuestros teléfonos o tablets. También podría alimentar varios sensores, como los de dispositivos IoT y los sensores utilizados para supervisar los procesos en plantas de fabricación”, explica el jefe del equipo de investigación, Jinyong Ha, de la Universidad de Sejong.

Sistemas inalámbricos de transferencia de energía

La demanda de sistemas de transferencia de energía inalámbrica está aumentando con las crecientes necesidades de aparatos electrónicos portátiles, dispositivos IoT, carga de vehículos eléctrico y teléfonos móviles inteligentes. Además, la llegada de la comunicación móvil 5G que consume cantidades significativas de energía está deduciendo la demanda de técnicas de transferencia de energía inalámbrica de largo alcance, bajo costo y baja latencia

Se han estudiado varias técnicas para la transferencia de energía inalámbrica de largo alcance. Sin embargo, ha sido difícil enviar con seguridad suficiente energía a distancias de un metro. Para superar este reto, los investigadores optimizaron un método llamado carga láser distribuida, que recientemente ha ganado más atención para esta aplicación porque proporciona una iluminación segura de alta potencia con menos pérdida de luz.

“Mientras que la mayoría de los otros métodos exigen que el dispositivo receptor esté en una base de carga especial o que esté inmóvil, la carga láser distribuida permite la autoalineación sin procesos de seguimiento siempre que el transmisor y el receptor estén en la línea de visión del otro. También cambia automáticamente a un modo seguro de entrega de baja potencia si un objeto o una persona bloquea la línea de visión”, detalla Ha.

Carga láser distribuida

La carga láser distribuida funciona en cierto modo como un láser tradicional, pero en lugar de que los componentes ópticos de la cavidad láser estén integrados en un solo dispositivo, están separados en un transmisor y un receptor. 

Cuando el transmisor y el receptor están dentro de una línea de visión, se forma una cavidad láser entre ellos sobre el aire, o el espacio libre, que permite al sistema suministrar energía basada en la luz. Si un obstáculo interrumpe la línea de visión entre el transmisor y el receptor, el sistema pasa automáticamente a un modo seguro de suministro de energía en el aire. 

En el nuevo sistema, los investigadores utilizaron una fuente de potencia óptica amplificadora de fibra dopada con erbio con una longitud de onda central de 1550 nm. Este rango de longitudes de onda se encuentra en la región más segura del espectro y no supone ningún peligro para los ojos o la piel de las personas con la potencia utilizada. Otro componente clave es un filtro de multiplexión por división de longitud de onda que creó un haz de banda estrecha con una potencia óptica dentro de los límites de seguridad para la propagación por el espacio libre. 

“En la unidad receptora, incorporaremos un retrorreflector de lente esférica para facilitar la alineación transmisor-receptor en 360 grados, lo que maximiza la eficacia de transferencia de potencia. Observamos experimentalmente que el rendimiento global del sistema dependía del índice de refracción de la lente esférica, siendo un índice de refracción de 2,033 el más eficaz”, aclara Ha. 

Ensayos en laboratorio

Para demostrar el sistema, los investigadores establecieron una separación de 30 metros entre un transmisor y un receptor. El transmisor estaba formado por la fuente óptica del amplificador de fibra dopada con erbio, y la unidad receptora incluía un retrorreflector, una célula fotovoltaica que convierte la señal óptica en energía eléctrica y un LED que se ilumina cuando se suministra energía. Este receptor, de unos 10 por 10 milímetros, podría integrarse fácilmente en dispositivos y sensores.

Los resultados experimentales mostraron que un sistema de transferencia de potencia óptica inalámbrica de un solo canal podía proporcionar una potencia óptica de 400 mW con un ancho de línea de canal de 1nm a una distancia de 30 metros. 

Los investigadores también demostraron que el sistema pasaba automáticamente a un modo seguro de transferencia de energía cuando la línea de visión era interrumpida por una mano humana. En este modo, el transmisor producía una luz de intensidad muy baja que no suponía ningún riesgo para las personas. 

“Usando el sistema de carga por láser para sustituir los cables de alimentación en la fábricas podría ahorrar importantes costes de mantenimiento y sustitución. Esto podría ser especialmente útil en entornos difíciles en los que las conexiones eléctricas pueden causar interferencias o suponer un riesgo de incendio”, afirma Ha. 

Ahora que han demostrado el sistema, los investigadores están trabajando para hacerlo más práctico. Por ejemplo, se podría aumentar la eficiencia de la célula fotovoltaica para convertir mejor la luz en energía eléctrica. También planean desarrollar una forma de utilizar el sistema para cargar varios receptores simultáneamente.

Créditos de imágenes: Jinyong Ha, Sejong University