James Wimshurst fue un ingeniero e inventor del siglo XIX que ideó una fascinante máquina para generar corrientes de alto voltaje. El aparato, que ha pasado a la historia con su apellido (la Máquina Wimshurst), consta de dos discos coaxiales (o contrarrotatorios) equipados con parches metálicos. Los discos están en contacto con dos cepillos metálicos conectados a un par de esferas metálicas separadas por un pequeño espacio. Los cepillos recogen la carga de los discos, que se produce en las esferas y genera una chispa salta el espacio entre ellos. El mecanismo que aporta la carga a las esferas es la inducción eléctrica, que amplifica cualquier pequeña carga de los parches metálicos.

En el siglo XIX y principios del XX, los físicos e ingenieros utilizaron máquinas Wimshurst y dispositivos similares para alimentar máquinas de rayos X e incluso aceleradores de partículas. Pero hoy en día, estas máquinas están en desuso y se limitan a demostrar los principios de la electrostática en museos y las aulas de ciencias.

Diagrama 1: entrada de aceite - entrada de metal líquido - puente de carga – puente de carga – electrodo de inicio - salida.

Pero estas máquinas podrían a volver a una época de esplendor gracias a un equipo de investigación de la Universidad de California en Santa Bárbara (EE. UU.) liderado por Maria Napoli. El grupo afirma que ha reinventado la máquina Wimshurst para el siglo XXI con una versión microfluídica que puede cosechar energía del medio ambiente y convertirla en una fuente energética aprovechable.

En la  la máquina Wimshurst 2.0, unas gotas de mercurio suspendidas en aceite fluyen a través de un canal tallado en una lámina de plástico PDMS (de polidimetilsiloxano). El canal transporta a las gotas de mercurio en direcciones opuestas, al igual que los discos coaxiales del modelo tradicional.

Los electrodos incrustados en el canal de microfluidos disipan la carga a medida que se acumula. Pero en lugar de crear chispas, esta carga puede usarse como energía. Napoli y sus compañeros calculan que un circuito a escala de centímetros con canales de apenas 300 micrómetros de ancho, con gotas de mercurio que fluyen a una velocidad de 10 milímetros por segundo, podría generar unos 12 microvatios de potencia.

El equipo ha construido un prototipo para probar la idea. La máquina Wimshurst microfluídica consiste en un canal principal de solo cinco centímetros de largo, que lleva unos pocos milímetros cúbicos de mercurio, y genera una fracción diminuta de la potencia máxima teórica: cuatro nanovatios.

Pero el equipo está satisfecho con el resultado actual. Los microfluídos permiten varias mejoras imposibles en un dispositivo de estado sólido, como cambiar el ancho y la separación de los canales y controlar mejor el tamaño y la distribución de las gotas. "Los cálculos indican una serie de mejoras directas a la geometría deberían ser capaces de aumentar la potencia de salida de un dispositivo de un solo canal en hasta tres órdenes de magnitud", apunta Napoli.

Además, se podrían colocar varios canales en serie o en paralelo para generar aún más potencia. Y una gran ventaja de los dispositivos microfluídicos frente a otros sistemas de captación de energía del aire es que no necesitan a una frecuencia de resonancia.

Napoli y sus compañeros están estudiando el potencial energético de su aparato si se impulsara por una bomba de membrana colocada en la suela de una bota. Suponiendo que una persona da un paso por segundo, una bomba de dos centímetros de diámetro podría proporcionar suficiente flujo para 250 canales de microfluidos paralelos, que en conjunto producirían unos 10 milivatios, dicen Napoli y compañía.

Esa cantidad de energía es suficiente para alimentar el láser en una unidad de DVD y así como algunos dispositivos de comunicación de baja energía y sensores actualmente en desarrollo. "Por lo tanto, hay buenas razones para esperar que una versión ampliada del prototipo pueda ser portátil, práctica y suficientemente potente para una variedad de usos de recolección de energía", concluye el equipo de Napoli.

Está claro que hay desafíos por delante. Una cuestión importante es la durabilidad de un dispositivo de este tipo dados los intensos golpes que sufren las botas durante su vida útil. Pero esa es una pregunta sobre el desarrollo del dispositivo en la que el equipo puede trabajar. Tal vez no pase mucho tiempo antes de que la mejor forma de recargar un teléfono sea ponerse un par de bombas en los zapatos y salir a correr. Wimshurst seguramente se sorprendería.

Ref: arxiv.org/abs/1803.02454: Energy Harvesting with a Liquid-Metal Microfluidic Influence Machine