Las microondas son el tipo de onda electromagnética cuyo rango está entre los 1 GHz y los 300 GHz (según el estándar IEEE 100). Este rango de frecuencias ha sido ampliamente utilizado en el ámbito de las telecomunicaciones, tanto en televisión como en telefonía móvil, en el protocolo bluetooth o en el Wi-Fi. El punto es que, en los casos antes mencionados, la cantidad transferida de potencia es baja, dado que es usada exclusivamente para el ámbito de las señales. En el otro extremo tenemos las microondas usadas en potencia, donde viene a la mente el caso más inmediato y familiar, el horno microondas, que si bien transmite una cantidad importante de potencia lo hace en una distancia pequeña. De acá nace el problema de cómo sumar las dos cualidades anteriores (distancia y cantidad alta de potencia) para permitir la transmisión efectiva.
Ahondando en tema de la transmisión a grandes distancias, tenemos que el MPT es parte de la transferencia de potencia inalámbrica (WPT) y si bien podría pensarse que los estudios sobre la transmisión en microondas son relativamente nuevos, estos vienen desde la época de Heinrich Herz (1857-1894). Él no solo demostró la transmisión de ondas electromagnéticas en el espacio libre (previamente demostradas matemáticamente por Maxwell), sino que además uso reflectores parabólicos para llevar a cabo la transmisión y recepción de estas. Luego Tesla a principios del siglo XX se mostró interesado en la transmisión inalámbrica. Logró en 1899 en Colorado cargar eléctricamente una bola de cobre de modo inalámbrico mediante ondas del rango de los 150000 Hz.
El siguiente intento de transmisión recién vino 30 años después, en 1930 en el laboratorio de Westinghouse, USA, se logró transmitir y recibir, a 100MHz, "cientos de Watts" a cerca de 8 metros de distancia. La eficiencia fue bajísima, ya que no se intentó enfocar esta energía, sino solo demostrar la posibilidad de continuar transmitiendo. Por lo demás durante los primeros 50 años del siglo XX el interés por esta área fue bajo ya que se pensaba que para que el sistema sea eficiente debería concentrarse la energía en un haz estrecho, junto con una muy alta frecuencia, además de reflectores y lentes prácticos que no existían para la época.
Ya en la segunda guerra mundial se exploró mucho en el ámbito de los microondas, tanto en antenas receptoras como en tecnologías de generación. Sin embargo no se pensó en el momento una aplicación energética, ya que, entre otras razones, no existía electrónica suficientemente desarrollada como para convertir tal energía en DC, y los tubos microondas aun generaban en potencias muy bajas.
Una vez terminada esta guerra se fueron produciendo desarrollos considerables que demostraron la posibilidad de transmitir energía en base a microondas con eficiencias cercanas al 100%. Gran importancia tuvieron los avances de Goubau, Schwering y otros, al demostrar que guiando estos rayos la densidad no siempre cae siempre al cuadrado de la distancia.
Para la época una gran falta eran tubos de microondas de suficiente (gran) potencia. Se creó por ende el Amplitron, el cual fue la base para crear tubos microondas de cientos de KW. Este fue desarrollado por el departamento de defensa de los Estados Unidos, para en el 1960 crear uno de salida de 400kW con una eficiencia muy alta, alrededor de un 80%.
También se desarrolló la tecnología, principalmente sobre diodos, para transformar esta energía en DC.
Podría decirse que el primer caso de transmisión considerable de energía eléctrica ocurrió en 1964, donde un mini helicóptero equipado con una "rectena" (que es como el nombre lo dice una antena para capturar las ondas y un rectificador recientemente creado) se mantuvo en vuelo únicamente mediante la energía transmitida de a base vía microondas.
Esta rectena tenía una eficiencia de un 50% cuando trabajaba con salida de 4W DC y 40% en 7 W DC y fue creada con 4 diodos 1N82G.
Posteriormente se realizaron, principalmente en el Marshall Space Flight Center, intentos de mejorar las eficiencias, sobre todo con más altas potencias. La eficiencia DC-DC era del 26,5% a los 39W y trabajando en los 2,45 GHz, lográndose subirla hasta un 54% en los 495W, en los el Raython Laboratory, USA en el año 1975.
Una vez demostrado la factibilidad técnica de esto el estudio y los desarrollos se ha estado principalmente enfocados a 2 ámbitos, el primero la transmisión terrestre de punto a punto sin cables y la segunda transmisión espacio-tierra o bien espacio-nave espacial, donde un hipotético panel transmitirá, desde la energía recibida del sol, energía vía microondas.
Se han realizado diversas pruebas de transmisión de energía vía microondas en tierra desde 1975, año en el cual tuvo lugar la primera de ellas en el Golstone Observaroty, California. En esta ocasión se transmitió energía desde una antena parabólica de 26m de diámetro, a un arreglo de rectenas de 3,4 x 7,2 mts., ubicadas a 1,6 Km (1 milla) de distancia.
Ilustración . Primera transmisión tierra-tierra (1975, USA)
Las ondas de microondas fueron transmitidas con una potencia de de 450 kW, a una frecuencia de 2,388 GHz, lográndose en el otro extremo, una energía neta de 30kW DC, obteniéndose en la rectena una eficiencia de rectificación de un 82,5%.
Más recientemente, en 1997 en la Isla Reunión (territorio de Ultramar de Francia, cerca de Madagascar, África) y dada la necesidad de llevar electricidad a un pueblo en las montañas se hicieron pruebas de transmisión vía microondas desde el punto de abastecimiento más cercano, a 700m del lugar. El procedimiento fue el típico, energía recibida desde la Electricity of France fue convertida a microondas a 2,45GHz mediante la transformación del magnetrón. Estos magnetrones, presentes tanto en microondas como en radares, tienen eficiencias de conversión que llegan hasta un 80%.
Para transmitir las ondas se desarrolló una parabólica llamada MPR (parabólica reflectora multifocal) que presentó ganancias de 33dB.
En la rectificación se usaron diodos 1SS97, que si bien tienen una buena performance de rendimiento, soportan poca potencia, por lo que se hicieron arreglos en serie y paralelo.
Ilustración [ 4 ]. Esquema simplificado del sistema utilizado en Isla Reunión
Finalmente se llevó a cabo la prueba, sacando 17,5kW desde la red, se logró llevar a cabo 10kW a los habitantes, con una eficiencia de un 57%, lo cual fue considerado todo un logro.
En los 80 científicos principalmente japoneses siguieron desarrollando la MPT, pero para experimentos en el espacio exterior. En 1983 el cohete MINIX fue enviado a realizar interacciones de ondas de microonda de gran potencia, usando un magnetrón de 800W a 2,45GHz con plasma ionosférico, observándose nuevos fenómenos de interacción onda-onda.
Actualmente la NASA ha anunciado en interés en desarrollar tecnologías para en futuras misiones una sola nave se encargue de generar, almacenar y transmitir mediante microondas al resto de la flota mediante MPT.
Fuera de la NASA, se mantiene un ambicioso proyecto que busca transferir energía inalámbrica vía microondas desde el espacio hacia la tierra. Unas 16 empresas de distintas naciones, lideradas principalmente por IHI y Mitsubichi, pronostican que en unos 30 años podrían tener en órbita un panel solar de 4 kilómetros cuadrados que entregue energía a alrededor de 300.000 hogares en Japón.
El proyecto, ambicioso por donde se le mire, busca capturar 1 GW de energía y transmitirlo a una base terrestre. Se pretende hacer las pruebas en unos 5 años más con un panel solar menor. Si bien el principal freno de este tipo de iniciativas son los elevados costos, se espera que el desarrollo de la tecnología permita bajar los precios y se produzca la factibilidad del proyecto. De hecho se pronostica que para la época será factible transmitir energía a un costo de 9 centavos por kWh, seis veces menor a los costos actuales.
Uno de los puntos en contra que tiene la energía transmitida de esta vía a la tierra es la gran susceptibilidad a atenuación por parte de la atmósfera de las ondas, principalmente en climas húmedos, por lo que es necesario una frecuencia donde esto no ocurra. Mucho se ha hablado de los problemas medioambientales que esto podría traer, principalmente por la radiación emitida, sin embargo todos los estudios de transmisión trabajan con entradas de potencia muy bajas en las rectenas. La radiación con la que se trabaja es apenas superior a la de los celulares, y mucho menor que el estándar internacional de exposición a la radiación permanente, que es de 5mW/cm2.
Otro problema del que se ha tratado es en que frecuencia deberían ser transmitidas estas ondas. Para estudios se ha usado la frecuencia de los 2,45GHz o 5,8GHz, pertenecientes a la banda ISM (Industria, ciencia y medicina, reservado a fines no comerciales y de investigación) sin embargo no existe una frecuencia "oficial" para esto. El punto a favor con el que se cuenta es que para este fin basta solo con una banda angosta, pero se debe trabajar para que los harmónicos, emisiones fuera de la banda y ruido sean lo menor posibles para no afectar otras comunicaciones.
La energía transmitida vía microondas bien desarrollada puede llegar a ser parte fundamental del abastecimiento del planeta en algunas decenas de años más cuando el petróleo ya sea inasequible. Esta energía renovable va a llegar a sumarse a las actuales ocupando probablemente gran parte de la matriz energética mundial. Sus ventajas están claras, energía limpia, barata (en algunos años más) y sin perjuicio para los humanos ni animales.
GERARDO A. ROMERO LUNA
C.I:17.207.444
CIRCUITOS DE ALTA FRECUENCIA
III PARCIAL
