Supercaps: El reemplazo natural de las baterías

Un equipo de ingenieros del MIT ha informado que lograron desarrollar un chip capaz de administrar el almacenamiento de energía en un conjunto útil de súper-capacitores (Supercaps, Supercondensadores, Ultracapacitores o Ultracondensadores). Este avance tecnológico permite superar uno de los últimos obstáculos técnicos que han mantenido a los súper-capacitores alejados de la posibilidad de sustituir a las baterías como dispositivo eficiente para el  almacenamiento de energía dentro de los equipos electrónicos pequeños. Un método muy sencillo e ingenioso que nos hace reflexionar y pensar: ¿Cómo no se me ha ocurrido a mí antes?

Los súper-capacitores ofrecen varias ventajas sobre las baterías: Alta densidad de energía, recarga rápida (casi instantánea), y un número virtualmente ilimitado de ciclos de carga-descarga que en las baterías de cualquier tipo, este número es finito. Dentro del grupo de las desventajas que podemos encontrar en los súper-capacitores tenemos que su tensión disminuye junto con su estado de carga, mientras que bajo las mismas circunstancias, el voltaje de una batería se mantiene “relativamente” estable. Dicho en otras palabras, esto significa que en el momento en que un súper-capacitor desciende a un estado del 25% de la carga, la tensión entre sus bornes (placas) ya se ha reducido a la mitad. Por su parte, el voltaje de una batería de plomo-ácido en este estado de carga se reduciría sólo en aproximadamente un 5%. Debido a que la mayoría de los chips dedicados a utilidades específicas y de precisión (por ejemplo, médicas) suelen operar en un rango de tensión bastante estrecho, una fuerte caída en la tensión de alimentación o de respaldo (backup) podría causar fallos indeseables tales como errores de lectura o escritura de memoria, conversiones analógico-digitales erróneas o pérdida total de los sistemas de referencia de tensión que son los encargados de brindar a cualquier equipo precisión y exactitud.

Luego de un complejo estudio, al equipo de científicos del MIT que se dedicó a estudiar esta problemática se le ocurrió una forma muy ingeniosa de salvar los problemas ocasionados por esta lógica caída de tensión y mantener a un conjunto de súper-capacitores en funciones operativas hasta que casi toda la energía almacenada se consuma. El circuito desarrollado reorganiza la configuración de un conjunto de súper-capacitores para sacar el máximo provecho de ellos mientras se mantiene una tensión final que intente ser lo más estable posible. En un chip de 1,3 por 1,4 milímetros, el dispositivo basa su funcionamiento en cuatro súper-capacitores de 250 mili-Faradios de 2,5 voltios, conectados (inicialmente) todos en paralelo. Cuando el estado de carga de estos acumuladores baja hasta un 25% y su caída de tensión desciende hasta 1,25Volts en cada uno, (por debajo del voltaje de referencia preestablecido) el chip de energía redirige las conexiones de los súper-capacitores. El sistema pasa a configurar dos grupos en paralelo de dos elementos conectados en serie.

De este modo cada par de elementos colocados en serie alcanza una tensión total de 2,5Volts con carga suficiente como para seguir operando a niveles de tensión óptimas. Una vez reconfigurada la conexión el chip reestablece el suministro hasta que el consumo energético vuelve a hacer decaer la tensión de cada conjunto hasta 1,25Volts. En esta nueva instancia el sistema conecta a los cuatro capacitores en serie obteniendo nuevamente una tensión nominal de 2,5Volts para continuar alimentando al circuito. Una vez que la tensión vuelva a caer por debajo de los límites seguros de funcionamiento, se supone que ya se ha entregado a la carga el 98% de la energía acumulada originalmente en el conjunto. Durante el procedimiento inverso, es decir, a medida que los súper-capacitores se recargan, la maniobra de “apilamiento” se invierte, y en una primera instancia se vuelve a los dos pares (series) conectados en paralelo y, finalmente, a la configuración original de cuatro elementos individuales en paralelo.

De acuerdo con William Sánchez, el estudiante de postgrado que es el líder del proyecto, una de las pocas mejoras que deben hacerse aún se encuentra en la eficiencia del dispositivo cuando trabaja operando convertidores DC-DC. En los experimentos publicados, los sistemas iniciales ofrecen un aprovechamiento aproximado de la mitad de la energía de los súper-capacitores luego de una carga plena. Sánchez espera que las próximas versiones de este chip controlador de energía obtengan rendimientos más satisfactorios y que se pueda llegar un 65 a 85% de eficiencia. El objetivo es lograr un dispositivo comercial cuyo rendimiento alcance una prometedora cifra de alrededor del 90%. La siguiente etapa del trabajo del grupo consiste en la creación de un pequeño elemento médico capaz de ser implantado y alimentado por este chip administrador de energía, que se utilizaría para controlar a pacientes con enfermedades neurológicas.

El proyecto fue inspirado por una conversación entre Joel L. Dawson, director del laboratorio de investigación del MIT, donde se realiza el trabajo, y el doctor Seward Rutkove, profesor de neurología en el Beth Israel Deaconess de Boston Medical Center. Tal como Dawson recuerda, la esencia de la preocupación del doctor Rutkove era que: "si usted está enfermo, lo último que quiere hacer es usar algo que sea muy visible, notable por los demás y que no sea estético, ni conveniente para usted." Con ese fin, el equipo tiene como finalidad crear aparatos de medición alimentados energéticamente con un sistema de super-capacitores, de un tamaño no mayor a 2 por 2 por 10 mm, en el verano de 2011. A partir de este logro, el doctor Rutkove podrá poner a prueba los dispositivos permitiendo que los pacientes reales puedan usarlos sin temor a sentir pudor o incomodidad ante las miradas ajenas.