En los tiempos modernos y en un mundo que exige continuamente más y más movilidad y accesibilidad, la tendencia de la tecnología inalámbrica se ha extendido como un incendio forestal. Progresivamente, también se ha extendido al campo de la transferencia de energía. Cuando combina los dos, transferencia de energía e inalámbrica: Bienvenido al mundo de la transferencia inalámbrica de energía. Este concepto de energía inalámbrica ha sido fantaseado, coqueteado y vuelto a coquetear durante varias décadas con la esperanza de crear un mundo con dispositivos electrónicos autosuficientes, móviles y altamente personalizados. La tecnología de transferencia de energía inalámbrica puede potencialmente reducir o eliminar la necesidad de cables y baterías. Piense en la última vez que tropezó con un cable, u olvidó el cable de alimentación de su computadora portátil en casa. ¿Continuaría utilizando la alimentación por cable convencional si la opción de alimentación inalámbrica estuviera disponible? La respuesta es probablemente un no y la opción probablemente sería, en cambio, la alimentación inalámbrica.
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la energía inalámbrica todavía está en la fase de investigación y desarrollo, y está comenzando a arrastrarse hacia la fase de demostración, por lo que está a medio camino como un fósil de transición. Aun así, la energía inalámbrica emana simultáneamente beneficios prometedores para la sociedad, la economía, el medio ambiente, así como para la ciencia y la tecnología. Por lo tanto, la energía inalámbrica es un tema digno de mayor exploración.
En el espíritu de exploración de la energía inalámbrica, este documento es una contribución a la investigación de la energía inalámbrica. Si bien existen muchas formas de transferencia de energía inalámbrica en la investigación y el desarrollo, este documento se centra en un tipo específico de método de transferencia de energía inalámbrica: el acoplamiento inductivo resonante. La razón por la que nuestra investigación se centra en el acoplamiento inductivo resonante es porque tiene muchas aplicaciones potenciales relacionadas y prácticas. Los beneficios del acoplamiento inductivo resonante residen principalmente en aplicaciones médicas y electrónica de consumo. Las aplicaciones específicas que se discutirán son los instrumentos e implantes médicos con alimentación inalámbrica y la carga inalámbrica para automóviles eléctricos y productos electrónicos de consumo.
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Desafortunadamente, la infancia del acoplamiento inductivo resonante, y todas las tecnologías de energía inalámbrica, para el caso, conduce a posibles inconvenientes y dilemas éticos. El alcance de los dilemas éticos asociados con el acoplamiento inductivo resonante discutido se basará en los impactos sobre la salud y el medio ambiente. Los inconvenientes que se discutirán son los efectos inciertos y desconocidos de la exposición al campo magnético producido, y los desechos electrónicos producidos debido a la producción de la tecnología y el reemplazo de la infraestructura tecnológica anterior con cables y baterías.
En el análisis final, al sopesar los beneficios y las desventajas del acoplamiento inductivo resonante, la esperanza es alcanzar una solución a los dilemas éticos que presenta esta tecnología. Con este objetivo final en mente, podemos comenzar a examinar el tema de investigación del acoplamiento inductivo resonante en detalle.
Fondo
El concepto de transmisión inalámbrica de energía existe desde principios del siglo XX cuando Nikola Tesla lo pensó por primera vez (Leyh, 2008, p. 1). Su idea, la inducción electrostática, implica el uso de una bobina de Tesla como dispositivo para crear diferencias de potencial alternantes y extremadamente altas entre dos piezas de metal. Entre estas piezas de metal, un campo eléctrico alternaría de un lado a otro liberando energía para ser capturada por un receptor. Pensó que esto sería útil en una habitación donde las luces podrían moverme a cualquier lugar sin necesidad de un cable. También teorizó que al construir dos enormes bobinas de Tesla, una a cada lado del Océano Atlántico, podría crear este efecto en todo el mundo. Entre entonces y ahora, se han realizado muchos estudios sobre transferencia de energía inalámbrica. La motivación para la investigación de la transmisión de energía inalámbrica se debe a las limitaciones de los cables para la transmisión de energía, la eficiencia de transferencia de energía y el fácil acceso a la electricidad en cualquier lugar.
Desde los experimentos originales de Tesla, los investigadores han hecho todo lo posible para encontrar métodos más seguros y más eficientes de transferencia inalámbrica de energía. La tecnología más prometedora que se ha desarrollado se conoce como acoplamiento inductivo resonante. Esta tecnología utiliza los fundamentos de los armónicos de onda para crear un poderoso enlace de ondas magnéticas a partir de 2 bobinas que resuenan a la misma frecuencia de ondas magnéticas armónicas. Los investigadores han demostrado que esta tecnología tiene una eficiencia muy alta, muchos experimentos muestran hasta un 80% de eficiencia a distancias de 2 a 3 radios de la bobina de origen (“roadway powered”, 1994).
Este tipo de transmisión de energía inalámbrica tiene muchas aplicaciones en las que no se puede usar la energía cableada tradicional. Muchas de estas aplicaciones son médicas. Muchos implantes médicos requieren una fuente de energía persistente. En una configuración tradicional con cable, eso significa que los cables se colocan a través del cuerpo de alguien desde el implante hasta un punto en la superficie del cuerpo para que la fuente de alimentación de los implantes se pueda cargar. Los cables que sobresalen de debajo de la piel causan una gran caída en la calidad de vida de los pacientes con implantes ya que los cables de estos cables no pueden acortarse bajo ninguna circunstancia, lo que incluye cualquier contacto con el agua. Además del riesgo de acortar los cables, estos cables que salen del cuerpo dejan un gran riesgo de infección para estos pacientes. Algunas de esas infecciones causan hospitalización o muerte. Pero con la potencia de inducción resonante inalámbrica, todo el sistema de carga puede estar completamente dentro del cuerpo del paciente (Hickey 2011).
La imagen de arriba (Hickey 2011) muestra una demostración simple de la tecnología de la bobina inalámbrica que se utiliza en la casa de un paciente con una bomba cardíaca implantada. La bobina receptora utilizada dentro de la bomba cardíaca del paciente recibe energía de las bobinas de transmisión alrededor de la habitación y le permite al paciente tener una bomba cardíaca y su sistema de energía contenido completamente dentro de su cuerpo.
Si bien hay muchas aplicaciones útiles para la tecnología de energía inalámbrica, también hay muchas desventajas. La alimentación inalámbrica tiene un alcance limitado, esto es similar a la alimentación por cable que tiene un rango de la longitud del cable, sin embargo, con la alimentación por cable tiene una distancia establecida que es claramente visible, con la alimentación inalámbrica su alcance es más parecido a un wi-fi, donde tiene una señal fuerte de cerca, pero pierde potencia y eficiencia rápidamente una vez que supera un cierto rango. Con el acoplamiento de inducción resonante, este rango está determinado por el radio de la bobina, con una alta eficiencia en un rango de unos pocos radios de la bobina. Además, la energía inalámbrica, con una eficiencia del 80%, es un poco menor que la eficiencia de los sistemas cableados normales (“roadway powered” 1994). La mayor parte de la energía puesta en un circuito llega a su destino en un circuito cableado porque en una configuración inalámbrica se genera cierta energía para crear el campo magnético que transmite la energía de una bobina a otra (Glindogdu 2011). Sin embargo, esta pérdida de energía se compensa porque es fácil de detectar cuando un dispositivo ya no necesita energía y luego se puede apagar para ahorrar energía donde, como en una configuración tradicional, la energía continuará utilizándose después de que un dispositivo esté completamente cargado (Branscombe 2009). Un gran problema con la energía inalámbrica es que requeriría un gran esfuerzo de configuración. La infraestructura requiere que las bobinas de la fuente de transmisión se coloquen cerca de cualquier lugar donde se utilizará o cargue su electrónica, así como de recibir dispositivos de bobina en cualquier cosa que reciba energía inalámbrica (“roadway powered” 1994). Habría un costo significativo en cambiar de energía cableada a inalámbrica especialmente porque la mayoría de los dispositivos fabricados actualmente están hechos para usar energía cableada. Sin embargo, las bobinas en sí mismas serían bastante baratas de fabricar, ya que solo necesitan un condensador y algunos bucles de cable. La parte más difícil y costosa sería diseñar las bobinas, ya que deben ajustarse a la frecuencia adecuada dependiendo del condensador, la longitud del cable y el número de bucles en el cable (Kurs, 2007). Esta tarea no sería difícil para los ingenieros eléctricos.
Discusión
Las implicaciones éticas del poder inalámbrico tienen influencias de largo alcance en la humanidad. Las tensiones éticas existen cuando se incluye la salud humana y el beneficio ambiental en la implementación de la nueva e incierta tecnología de energía inalámbrica. Los defensores y opositores existen en ambos lados de este tema, y cada uno plantea una serie de dilemas y cuestiones a considerar. La energía inalámbrica en general tiene el potencial de impactar a todas las personas que usan cualquier tipo de energía eléctrica y, por lo tanto, es un tema generalizado y actual de interés para el público en general. El mundo como sociedad y civilización global debería estar intrigado y entusiasmado con esta nueva tecnología, pero también estar al tanto de los posibles inconvenientes y caídas.
Las partes interesadas involucradas en la energía inalámbrica incluyen investigadores científicos, ambientalistas, proveedores de salud, productores de energía y ciudadanos comunes que utilizan electricidad. Las partes interesadas proponentes y oponentes existen en ambos lados de la discusión sobre energía inalámbrica y se presentan como tales en la siguiente sección de este documento. Para dirigirse primero a los proponentes, los ambientalistas y los proveedores de salud reclaman los primeros puestos.
Beneficios potenciales derivados de la energía inalámbrica:
El uso de energía inalámbrica para el uso diario y comercial tiene grandes beneficios ambientales potenciales. Esta “nueva” forma de energía reemplazará el uso de baterías, uno de los contribuyentes más tóxicos a los vertederos. Según Eric Giler, “cada año se fabrican 40 mil millones de baterías desechables para usar a unas pocas pulgadas o pies de donde hay una energía muy económica” (TED: Eric Giler Demos Wireless Power). Estas baterías se usan y desechan inevitablemente en los vertederos, lo que provoca la degradación del medio ambiente y el envenenamiento. Grandes volúmenes de producción no son la única caída de las baterías. Son ineficientes, insostenibles y potencialmente peligrosos cuando están corroídos. Una vez que las baterías entran a los vertederos, se erosionan lentamente y eliminan plomo y ácido tóxicos en el suelo y tienen el potencial de envenenar las fuentes de agua para las comunidades vecinas. Tener energía inalámbrica disponible en los hogares de miles de millones de personas en el futuro cercano inhibirá la producción, el uso y la acumulación de baterías y reducirá drásticamente la filtración de plomo y ácido en el suelo. Al usar la energía inalámbrica como una alternativa a los cables y las baterías, los costos de energía también se reducirán, lo que ahorrará a los propietarios cantidades incalculables de ingresos.
En términos de eficiencia, la energía inalámbrica tiene sus beneficios. “La energía inalámbrica en realidad podría ser más eficiente que la carga estándar, con sistemas inteligentes que identifican dispositivos y monitorean el nivel de energía, reemplazan múltiples adaptadores y apagan la energía cuando se carga un dispositivo” (Branscombe 2009). La energía es un recurso valioso y debe usarse con la mayor moderación posible. Tener una fuente de energía que use tecnología “inteligente” en términos de solo usar la energía necesaria y no más, va a maximizar el uso de la energía generada. Esto reduce indirectamente la dependencia de los combustibles fósiles, uno de los principales problemas de nuestra generación. En términos de la ética de la conservación de la energía, eliminar el consumo extremo de energía y reducir el uso de energía en general permite que la energía inalámbrica se convierta en una tecnología ambientalmente racional que tiene el potencial de implementarse a gran escala. Por ejemplo, una aplicación potencial de energía inalámbrica de campo cercano a gran escala es el uso para cargar automóviles y autobuses eléctricos e híbridos. En lugar de tener un cable de conexión para estos vehículos, como existe actualmente, la tecnología inalámbrica puede integrarse en estacionamientos y estaciones de autobuses, lo que permite que la carga se produzca instantáneamente y sin el esfuerzo real de “enchufar”. Esto permitiría una integración perfecta de automóviles híbridos y eléctricos en el uso comercial a gran escala. Particularmente para los sistemas de autobuses urbanos, las estaciones de carga inalámbricas podrían estar disponibles en cada terminal de autobuses o incluso en cada parada, eliminando por completo la necesidad de usar diesel y gasolina. Esto no solo ahorraría tiempo y reduciría la logística de servicio, sino que también tendría implicaciones ambientales al reducir las huellas de carbono de cada autobús, ya que la energía se generará eléctricamente en comparación con los combustibles fósiles (“Roadway Powered” 1994). Claramente, las implicaciones ambientales de la energía inalámbrica son grandes y de gran alcance, pero los beneficios éticos se extienden también a los beneficios para la salud.
Las consideraciones de salud de la energía inalámbrica son uno de los principales activos del diseño y tienen el potencial de reinventar por completo la forma en que funcionan los hospitales, los implantes médicos y la atención domiciliaria. La tecnología se puede implementar en hospitales de todo el mundo para eliminar el uso de cables desordenados y baterías poco confiables. Los implantes médicos y la atención domiciliaria de hoy dependen completamente de la energía de la red y las baterías, atando literalmente a los pacientes a cables y dispositivos de reemplazo continuo. Tener energía inalámbrica disponible en los hogares libera completamente a los pacientes de su afección médica al permitir que se suministre energía remotamente desde simplemente caminando cerca del proveedor de energía. “El uso del sistema inalámbrico significa que no hay cables de alimentación que atraviesen la piel, lo que reduce drásticamente el riesgo de infección y mejora la calidad de vida de los pacientes” (Hickey 2011). Como se indicó anteriormente en la sección de antecedentes de este documento, no tener que reemplazar los dispositivos debido al agotamiento de la batería significa la reducción de las cirugías invasivas y los riesgos necesarios, como infecciones y enfermedades.
La energía inalámbrica también tiene el potencial de salvar miles de vidas cada año al reducir la cantidad de muertes asociadas con problemas de cableado y electricidad en el hogar. Las descargas eléctricas, incendios, quemaduras, explosiones y electrocución son todos peligros asociados con la tecnología de cables en los hogares (Barrett 2004). “La casa fue señalada como una de las ubicaciones principales para accidentes eléctricos que resultaron en muertes en el Reino Unido durante los años investigados. Aproximadamente el 46% de todas las muertes por corriente eléctrica ocurren en el hogar, en Inglaterra y Gales ”(Barrett 2004). La Figura 1 ilustra el número de casos en dos años de accidentes eléctricos solo en el Reino Unido y la Figura 7 muestra el número de muertes entre 1999 y 2005 por las corrientes eléctricas en el hogar. La energía inalámbrica podría potencialmente reducir estas cifras al eliminar los enchufes y cables eléctricos en el hogar e implementar bobinas de bajo mantenimiento. En términos de beneficios para la salud, la energía inalámbrica tiene el potencial de cambiar la vida de millones de personas, un beneficio que supera a casi todos los demás. Desde un punto de vista ético, una pregunta que debemos hacernos es que si existe la tecnología actual que podría salvar miles de vidas, ¿estamos como sociedad moralmente obligados a implementar estas medidas, incluso si hay algunos impactos negativos asociados? Para comprender mejor la complejidad total de este problema, a continuación se abordan las desventajas de la alimentación inalámbrica.
Las trampas de la energía inalámbrica:
Al igual que con cualquier tecnología nueva, existen costos asociados con los beneficios que potencialmente pueden surgir del uso de energía inalámbrica. La mayor preocupación para los más involucrados en la creación de una implementación a gran escala es simplemente que la energía inalámbrica es bastante nueva en términos de diseño y uso generalizado.
Los oponentes más notables de la energía inalámbrica son aquellos involucrados en la producción de energía de la batería, la extracción de combustibles fósiles y las compañías eléctricas actuales. Estas personas tienen un interés personal en preservar la energía tradicional de los cables y limitar la producción de energía inalámbrica.
Junto con el desarrollo de nuevas tecnologías viene la incertidumbre de los dispositivos sobre la salud humana. Los impactos en la salud de estar expuesto a ondas de energía aún están en la fase de investigación y deben desarrollarse más antes de que se pueda producir en masa esta fuente de energía. Este es el inconveniente bastante serio que debe tenerse en cuenta al diseñar fuentes de energía inalámbricas. Una vez más, planteando una pregunta a nuestra sociedad, ¿los impactos desconocidos a largo plazo valen el riesgo de implementar estos dispositivos ahora para salvar vidas? ¿Las vidas perdidas hoy son más valiosas que las vidas potenciales perdidas en el futuro? Estas preguntas difíciles son serios dilemas que los científicos, los líderes tecnológicos y los funcionarios gubernamentales deben enfrentar en el futuro cercano.
Del lado ambiental de este debate, se argumenta que actualmente tenemos una infraestructura diseñada específicamente para cables y enchufes eléctricos. La adaptación completa del mundo para la alimentación inalámbrica utilizará una gran cantidad de recursos y también generará grandes cantidades de residuos en forma de dispositivos eléctricos obsoletos e “inútiles”. Sin duda, estos desechos terminarán en vertederos, demorarán miles de años en degradarse y posiblemente arrojarán químicos tóxicos al suelo. El fósforo, el cromo, el plomo, el mercurio y el bario son solo algunos de los compuestos utilizados en la electrónica que plantearán problemas ambientales con los desechos electrónicos o desechos electrónicos (Dittke). Estos compuestos se consideran “bioacumuladores persistentes, lo que significa que permanecen en el ambiente y acumulan tejidos inorgánicos, causando cáncer, daño nervioso y trastornos reproductivos” (Dittke).
Las partes interesadas contra la energía inalámbrica argumentan que las mejoras pueden y deben hacerse en la tecnología de energía inalámbrica para maximizar los beneficios para la salud y reducir el desperdicio debido a la instalación antes de que este tipo de energía esté disponible comercialmente (Zhang 2011).
Conclusión
En conclusión, está claro que la transmisión de potencia de acoplamiento inductivo resonante sería extremadamente beneficiosa para la sociedad si se implementara en los hogares y la electrónica del hogar. Desde un punto de vista ambiental, esta tecnología podría reemplazar las baterías y cables desechables, reduciendo los productos químicos peligrosos y el potencial de envenenar a las comunidades. El acoplamiento inductivo resonante también tiene beneficios para la salud y, sin necesidad de cables, la vida simplemente sería más fácil. Team Triple E ofrece una solución a los dilemas éticos planteados en este documento:
Para comenzar, debemos comenzar a reemplazar los tomacorrientes domésticos con un transmisor de energía inalámbrico en cada casa nueva y tener bobinas en forma de batería para que se ajusten a la electrónica del hogar. Las compañías que actualmente fabrican baterías y componentes para tecnología cableada podrían pasar a fabricar la nueva tecnología inalámbrica. Muchos consumidores apreciarían la facilidad de uso de la tecnología inalámbrica y el mercado seguramente se abriría permitiendo que estas compañías continúen prosperando si pueden cambiar a la nueva tecnología. Estas casas aún tendrían energía tradicional por cable por la consideración de que todavía hay muchos dispositivos que actualmente se fabrican con cables.
A medida que la energía inalámbrica comience a crecer, más de estos dispositivos se fabricarán con una opción inalámbrica y el uso de la energía inalámbrica se generalizará en los hogares nuevos. Además, se podría fabricar una bobina de fuente de alimentación para ser alimentada desde un enchufe tradicional para dar a los propietarios de viviendas antiguas la opción de actualizar sus hogares a energía inalámbrica. Debido a que solo los hogares nuevos y los dispositivos nuevos contendrían la tecnología inalámbrica, no habría una gran abundancia de desperdicios electrónicos causados por el desecho de dispositivos electrónicos con cable viejos. La transición sería algo lenta y tardaría muchos años en aparecer en la mayoría de los lugares. Sin embargo, cambiar a energía inalámbrica aumentaría la eficiencia y la conveniencia de estos dispositivos electrónicos, al tiempo que reduciría el impacto ambiental a largo plazo. Algunas personas continuarán preocupándose por los riesgos para la salud de estar expuestos a los campos magnéticos causados por el acoplamiento inductivo resonante, sin embargo, actualmente hay poca o ninguna evidencia que demuestre que la tecnología presente algún riesgo para la salud. Al ser una tecnología nueva, no se puede determinar si causa problemas de salud a largo plazo y se debe realizar más investigación sobre este tema.
Muchas personas ven los enormes beneficios que ofrece el acoplamiento inductivo resonante. Hay pacientes médicos que pueden recibir ayuda con esta tecnología. Además, la energía inalámbrica podría ayudar a reducir el daño que nuestra infraestructura de energía causa al medio ambiente. Además, los riesgos relacionados con los cables tradicionales se vuelven irrelevantes. Otro beneficio es la increíble comodidad que supone tener todos sus dispositivos electrónicos alimentados y cargados sin cables para molestarlo o restringir su movimiento. Sin embargo, otras personas tienen sus dudas. Hay muchas compañías que fabrican las piezas electrónicas que serían reemplazadas por tecnología de resonancia inductiva. Además, algunos investigadores tienen dudas de que sea seguro tener los campos magnéticos utilizados en el acoplamiento inductivo resonante que fluye a través de nuestros cuerpos. Otro gran inconveniente es la dificultad y el alto costo de configurar e implementar el sistema de alimentación inalámbrico, ya que la mayoría de los productos electrónicos de consumo fabricados actualmente no contienen las piezas necesarias.
Las desventajas de la energía inalámbrica son ampliamente compensadas por los beneficios y desde un punto de vista ético, por lo tanto, es necesario desarrollar aún más la tecnología de energía inalámbrica hasta el punto de producción a gran escala. Tenemos los medios y el diseño; ahora es una obligación crear energía inalámbrica a gran escala para el mejoramiento de la sociedad.
