Los wearables alimentados por energía solar pronto serán viables con los recién desarrollados fotovoltaicos orgánicos ultrafinos

Las capacidades revolucionarias de la energía solar ya se han demostrado sin duda. Con su éxito creciente, junto con innovaciones tecnológicas que la enriquecen cada día y la creciente demanda de energía renovable, el mercado global de energía solar inteligente podría superar los US$27 mil millones para 2028 partiendo de menos de US$13 mil millones en 2022.

Las proyecciones de crecimiento indican una duplicación del mercado, con innovaciones de alto nivel en materiales fotovoltaicos, almacenamiento de energía, redes inteligentes, sistemas de energía solar y mucho más. Notablemente, la energía solar también está dejando su huella en el campo de los wearables, con investigaciones y experimentos que pronto se espera introduzcan wearables alimentados por energía solar. 

Fotovoltaicos orgánicos ultraflexibles como una posible fuente de energía para dispositivos electrónicos portátiles

Una nueva investigación publicada en Nature Communications, titulada “Waterproof and Ultraflexible Organic Photovoltaics with Improved Interface Adhesion”, destaca la elasticidad y ligereza de los fotovoltaicos orgánicos ultraflexibles, lo que los convierte en una potente fuente de energía para wearables electrónicos. Sin embargo, la investigación reconoce que impermeabilizar estas soluciones sigue siendo un desafío si se mantiene sin alteración su flexibilidad mecánica y conformabilidad. 

Se ha demostrado cómo abordar este desafío, posicionando esencialmente a los fotovoltaicos orgánicos como una solución superior. La solución implica aprovechar el crecimiento in situ de una capa de transporte de huecos para reforzar la adhesión de la interfaz entre la capa activa y el ánodo. Más específicamente, la solución permite que un electrodo de plata se deposite sobre las capas activas. La deposición es seguida por un recocido térmico. 

La investigación encuentra que el método in situ supera con creces al convencional al demostrar que la capa de transporte de huecos crecida in situ posee propiedades de adhesión termodinámica superiores entre las capas activas, lo que conduce a mejores propiedades de impermeabilización. 

En el experimento, los fotovoltaicos orgánicos de tres micrómetros de espesor fabricados mediante este método retuvieron el 89 % y el 96 % de su rendimiento original incluso después de haber sido sumergidos en agua durante cuatro horas y de haber soportado 300 ciclos de estiramiento/liberación al 30 % de deformación bajo el agua, respectivamente. 

Aunque estos números son testimonio de su flexibilidad y características de impermeabilización, los dispositivos superaron sin problemas una prueba de lavado a máquina a pesar de su delgada capa de encapsulado. 

En conjunto, el experimento pudo demostrar cómo las celdas solares podrían volverse impermeables y aptas para operaciones a gran escala. 

Las celdas solares ahora podrían integrarse funcionalmente en la ropa, permaneciendo efectivas incluso después de exponerse a la lluvia o someterse a un ciclo de lavado. Esta innovación es, por tanto, particularmente significativa porque podría ser valiosa para crear dispositivos electrónicos portátiles que se puedan adherir a la ropa y seguir funcionando en todo tipo de condiciones climáticas. 

Al hablar del experimento y elaborar sobre su utilidad potencial, Kenjiro Fukuda, uno de los autores correspondientes del artículo, comentó lo siguiente:

“Lo que hemos creado es un método que puede usarse de forma más general. Mirando al futuro, al mejorar la estabilidad de los dispositivos en otras áreas, como la exposición al aire, la luz intensa y el estrés mecánico, planeamos seguir desarrollando nuestras celdas solares orgánicas ultrafinas para que puedan usarse en dispositivos wearables realmente prácticos.”

Mientras los investigadores de todo el mundo están ansiosos por hacer que las celdas solares sean más utilizables y prácticamente significativas, algunas empresas están invirtiendo fuertemente en I+D para desarrollar soluciones escalables que beneficien a una población mayor. 

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#1. Garmin

Garmin ha desarrollado toda una línea de wearables inteligentes alimentados por energía solar que afirman extender la vida de la batería a niveles sin precedentes. La línea incluye tres relojes inteligentes: Fenix 7 PRO, Instinct 2 y Forerunner 955 Solar. Ha diseñado los productos, especialmente para uso al aire libre. 

Estos relojes pueden captar energía solar incluso cuando la esfera del reloj está parcialmente cubierta. Su función de gestión de energía permite al usuario adaptar y personalizar el uso de energía según sus necesidades.  

Para dar datos específicos, el reloj puede manejar expediciones al aire libre durante hasta dos meses sin requerir ninguna fuente de energía adicional. Además, la solución es ecológica, ya que produce un 59 % menos de emisiones de carbono que otros relojes. 

El Fenix 7 Pro, por ejemplo, aprovecha paneles solares ultra‑transparentes. Su diseño elegante puede optimizar la absorción de luz solar. Instinct 2 es un reloj GPS alimentado por energía solar. El Forerunner 955 está diseñado específicamente para correr. 

Garmin ha logrado muchas maravillas tecnológicas al construir sus soluciones. Por ejemplo, su sistema de vidrio de energía ha alterado radicalmente la forma en que se usa la tecnología de paneles solares. Ha reemplazado los paneles solares convencionales con una lente de vidrio super‑transparente que integra células solares microscópicas conductoras. El panel de vidrio es ultrafino, de menos de medio milímetro. 

En una demostración de destreza tecnológica, el panel no solo es capaz de capturar fotoelectricidad de manera eficaz, sino que también incorpora la tecnología de pantalla Memory‑in‑piece para crear una pantalla clara y legible. Alta claridad y bajo consumo de energía, incluso bajo luz solar directa, lo convierten en el mejor de su categoría. 

El 21 de febrero de 2024, Garmin® Ltd. anunció sus resultados del cuarto trimestre que finalizó el 30 de diciembre de 2023. La compañía obtuvo unos ingresos consolidados de 5,23 mil millones de dólares, un aumento del 8 % respecto al año anterior. 

Registró un margen bruto del 57,5 %, frente al 57,7 % del año anterior, y un margen operativo del 20,9 %, frente al 21,1 % del año anterior. El ingreso operativo fue de 1,09 mil millones de dólares, un aumento del 6 % respecto al año previo.

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#2. Tommy Hilfiger

Para Tommy Hilfiger, la marca de moda y ropa reconocida a nivel mundial, los wearables alimentados por energía solar no son novedad, ya que introdujeron una línea de chaquetas de campo con paneles solares casi una década antes, en 2014. El trabajo se realizó con la ayuda de Pvillion, un fabricante solar. La chaqueta venía con paneles solares impermeables que funcionaban como forros traseros. Estos paneles estaban diseñados para cargar dispositivos mediante cables integrados y puertos USB. 

En el momento de su lanzamiento, la chaqueta se vendía por US$600. La chaqueta diseñada por Tommy Hilfiger, en colaboración con “Pvilion”, sirvió de inspiración. Siete años después del lanzamiento, en 2021, investigadores de diseño y física de la Universidad Aalto de Finlandia crearon una marca de ropa que ocultaba paneles solares. 

El proyecto, conocido como Sun‑Powered Textiles, dio lugar al desarrollo de un producto autónomo energéticamente que podía cargar dispositivos wearables – sensores que miden humedad o temperatura – sin alterar la apariencia y el tacto de la prenda.

Al describir la singularidad de su innovación, la investigadora de diseño de la Universidad Aalto, Elina Ilen, comentó lo siguiente:

“Hicimos un caso de demostración, una chaqueta, donde la energía lumínica se usa para alimentar sensores integrados de humedad y temperatura, pensando en el usuario de ropa de trabajo, que entra y sale y realiza tareas físicas a diario.”

Estas innovaciones, tanto de Tommy Hilfiger como de la Universidad Aalto, son ejemplos de cómo nuestra ropa podría incorporar paneles solares de forma discreta y fácil de usar. 

PVH Corp. (PVH ), la entidad que posee la marca Tommy Hilfiger, informó sobre sus ingresos del cuarto trimestre y del año completo de 2023 el 1 de abril de 2024. Los ingresos del año completo aumentaron un 2 % a 9,218 mil millones de dólares respecto al período del año anterior, mientras que los ingresos del cuarto trimestre de 2023 de 2,490 mil millones de dólares se mantuvieron estables respecto al período del año anterior. 

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#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

En agosto de 2022, la conocida marca de relojes y joyería Skagen lanzó su colección sostenible, Grenen Solar. Su diseño incluía un movimiento japonés solar de 3 agujas para una cronometraje preciso. También prometía una reserva de energía de seis meses. Gracias a su movimiento alimentado por energía solar, la persona que lo lleva puesto podría cargar el reloj bajo cualquier luz, natural o artificial. 

Una de las especialidades de Grenen Solar era su compromiso de mantener la sostenibilidad en el centro de su experiencia innovadora. Y la sostenibilidad no se limitaba solo al uso de energía solar. El lanzamiento del producto, de hecho, estaba alineado con la visión y el compromiso de la empresa de que sus relojes sean 100 % sostenibles en un futuro cercano. Con este fin, el 50 % del acero utilizado en el reloj era acero inoxidable reciclado. Además, la colección completa incluía cinco estilos en una caja de 37 mm a un precio minorista de US$195. 

En enero de 2012, Skagen fue vendida al Fossil Group en una transacción de US$237 millones. El 13 de marzo de 2024, el Fossil Group publicó su informe anual del año fiscal 2023. En 2023, la compañía registró ventas netas de más de US$1,4 mil millones, una caída respecto a 2022, cuando registró ventas netas de US$1,68 mil millones.

En conjunto, los productos y soluciones descritos dejan muy claro que los wearables alimentados por energía solar no son nada nuevo. Sin embargo, como mostramos al principio, la innovación en torno a ellos sigue avanzando de forma robusta. Demuestra la vitalidad y el valor de las fuentes de energía renovable y su potencial de sostenibilidad. Otras innovaciones interesantes están en marcha, y analizaremos un par de ellas para hacernos una idea de cómo será el futuro.

Wearables alimentados por energía solar: Lo que depara el futuro

En 2017, los investigadores presentaron el diseño de una pulsera inteligente wearable que utilizaba paneles fotovoltaicos flexibles de película delgada y factor de forma pequeño como fuente de energía, marcando un avance significativo en los subsistemas de captura de energía solar. El objetivo era maximizar la eficiencia de conversión de energía y lograr un sistema wearable inalámbrico autosuficiente. 

Al aprovechar una película de poliamida para la integración total del sistema, la tecnología resultó beneficiosa para el monitoreo a largo plazo de pacientes o personas mayores en aplicaciones de salud. Los resultados fueron prometedores, ya que un solo panel solar flexible podía captar hasta 16 megavatios de energía al aire libre y 0,21 megavatios en interiores. Impresionantemente, los datos recopilados por el dispositivo podían transferirse vía Bluetooth. 

La investigación continua en el ámbito de la salud dio lugar al desarrollo de un biosensor wearable alimentado por energía solar y sin batería que podía aprovechar el potencial subutilizado de los biomarcadores del sudor. El resultado de la investigación fue el LumiStat, un wearable solar multifuncional capaz de realizar inducción autónoma de sudor, muestreo microfluídico dinámico del sudor, monitoreo multiplexado de biomarcadores del sudor y transmisión de datos inalámbrica, un avance en la tecnología de monitoreo de salud no invasivo. 

Al estar alimentado por energía solar, el dispositivo mostró un rendimiento notable, permitiendo una operación continua de más de 12 horas bajo diversas condiciones de luz. Los investigadores pusieron a prueba el LumiStat de manera rigurosa, incluyendo un monitoreo multimodal de un día completo y de actividades cruzadas de biomarcadores del sudor. La solución pudo desempeñarse de forma consistente en distintos entornos lumínicos y actividades físicas, con un consumo de energía adaptado inteligentemente a la iluminación disponible, garantizando mediciones continuas del sensor.

Un informe de investigación publicado por la Universidad Nottingham Trent analizó el desarrollo de textiles integrados con más de mil paneles solares miniatura. Estos paneles solares podían cargar relojes inteligentes y teléfonos móviles. En conjunto, podían captar 400 miliwatios (vatios) de energía eléctrica del sol. 

El textil era apto para ropa cotidiana y podía lavarse en una máquina a 40 °C con otras prendas. Con solo cinco milímetros de longitud y 1,5 milímetros de ancho, los paneles solares estaban incrustados en una resina polimérica impermeable. Incluso el tejedor no podía sentirlos. 

Según la Dra. Hughes‑Riley del Grupo de Investigación de Textiles Avanzados (ATRG) de la universidad:

“Este prototipo ofrece una visión emocionante del potencial futuro de los e‑textiles. Hasta ahora, muy pocas personas han considerado que su ropa o productos textiles podrían usarse para generar electricidad. El material que hemos desarrollado parece y se comporta como cualquier textil ordinario, ya que puede arrugarse y lavarse en una máquina.”

El material, de 51 cm por 27 cm, era a la vez transpirable y químicamente estable. Presentaba celdas solares de silicio. Esta configuración permitió al material generar una potencia de salida de 335,3 vatios bajo una irradiancia solar del 0,86, con la capacidad de generar hasta 394 vatios cuando la intensidad solar alcanzó 1,0.

Evidentemente, con cada día que pasa, más investigaciones se ponen a disposición del público mostrando el potencial de la tecnología wearable alimentada por energía solar. Es, por decirlo de alguna manera, un cambio de juego y una alteración de paradigma. Dado que las soluciones están destinadas a permanecer adheridas a nuestro cuerpo en todo momento, cambian la forma en que interactuamos con la tecnología. Eliminan la necesidad de intermediarios de energía como los puntos de carga. Incrementan nuestra movilidad y capacidad de explorar más mientras nos preocupamos menos por cómo mantener nuestros sistemas en funcionamiento.