Ciencia

La máscara de gas autoalimentada aprovecha la energía de la respiración y puede detectar agentes de guerra química

Los nanogeneradores triboeléctricos, o TENG, para abreviar, son dispositivos diminutos que recolectan energía de su entorno y pueden usarse, por ejemplo, para alimentar sensores o cargar baterías. Funcionan aprovechando el “efecto triboeléctrico”, un fenómeno en el que la fricción hace que ciertos materiales transfieran electrones de uno a otro cuando se frotan entre sí. Así, cuando las superficies se separan, se crea un potencial eléctrico entre ellas.

El efecto triboeléctrico puede ser familiar para cualquiera que haya experimentado la leve descarga eléctrica estática que se puede obtener al caminar sobre una alfombra.

El fenómeno también se puede ver en el truco de la fiesta infantil en el que puedes cargar un globo, de modo que se “pegue” al techo, frotándolo en el cabello de alguien.

Los TENG funcionan aprovechando tipos específicos de movimiento y usándolos para unir y luego separar repetidamente materiales triboeléctricos de modo que conviertan la energía cinética en energía eléctrica.

Los investigadores ya han diseñado una variedad de estos nanogeneradores, que pueden aprovechar fuentes de energía como el viento, las olas del agua o incluso el movimiento del cuerpo humano.

En su nuevo estudio, el ingeniero mecánico Deokjae Heo de la Universidad Chung-ang de Corea del Sur y sus colegas crearon un TENG, integrado en el cartucho del filtro de una máscara antigás, que recolecta energía de la respiración del usuario.

Su diseño presenta una hoja dieléctrica de poliamida con hendiduras intercaladas entre dos electrodos de aluminio que contienen orificios de aire que se insertan junto al filtro.

A medida que el usuario de la máscara antigás respira, el paso del aire a través del TENG hace que diferentes partes de la sábana se muevan de formas complejas e interactivas.

El resultado general, sin embargo, es que la hoja de poliamida entra y sale del contacto con el electrodo de salida cientos de veces por ciclo de inhalación.

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Los investigadores dijeron: «El aleteo vertical TENG impulsado por la inhalación exhibe dos tipos de comportamientos mecánicos simultáneamente».

El nanogenerador, continuaron, produce «un voltaje eléctrico continuo de alta frecuencia y una salida de corriente de circuito cerrado de 17 voltios y 1,84 microamperios, respectivamente, durante la inhalación».

Además, explicaron, el comienzo y el final de cada ciclo de respiración también produce “un voltaje de descarga electrostática y una salida de corriente de circuito cerrado de 456 voltios y 288 miliamperios”.

Esto, demostraron, es suficiente para alimentar 130-140 diodos emisores de luz, que podrían usarse para resaltar dónde está el usuario o para transmitir señales visuales.

Los investigadores también demostraron que la generación de energía se puede utilizar para cargar un pequeño condensador y alimentar un rastreador Bluetooth comercial, que podría ser utilizado por un tercero para ayudar a localizar al usuario de la máscara, por ejemplo, en una situación de emergencia o zona de guerra.

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Además, explicó el equipo, al monitorear la señal de salida del TENG, el nanogenerador podría usarse como parte de una «máscara de gas inteligente» que monitorea la respiración del usuario y alerta si la respiración se vuelve irregular.

Finalmente, la salida de TENG varía según el gas que pasa a través del dispositivo, con diferentes productos químicos que tienen diferentes pesos moleculares y características de polaridad.

En consecuencia, dijeron los investigadores, la máscara «puede detectar la exposición de un usuario de máscara de gas a ciertos agentes de guerra química a través de cambios en la salida de voltaje pico promedio».

Los hallazgos completos del estudio se publicaron en la revista Advanced Energy Materials.

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