En el espacio, la energía es la diferencia entre estar vivo o ser basura espacial. Es lo que permite que los instrumentos de a bordo de sondas como Voyager 2, que lleva cerca de 50 años en el espacio profundo, sigan enviando información a la Tierra, o que telescopios espaciales como el Hubble o el James Webb puedan captar y enviar las imágenes que permiten a los astrónomos conocer mejor el universo.

Esa energía proviene principalmente de combustible o baterías, pero también de paneles solares cada vez más grandes integrados en satélites y naves de todo tipo, incluida la Estación Espacial Internacional.

Una de las soluciones que más valoran los expertos para complementar esa energía es la que pueden ofrecer los nanogeneradores triboeléctricos o TENG, por sus siglas en inglés, que ya se investigan para aplicaciones en wearables o para la generación de electricidad con las gotas de lluvia.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Tecnología de Luleå (Suecia), la Universidad Khalifa (Emiratos Árabes) y la Universidad de Cambridge (Reino Unido), acaba de publicar un estudio en el que proponen los TENGs como una alternativa ligera y versátil a las fuentes de energía convencionales.

Su uso permitiría complementar la electricidad disponible para alimentar sensores, pequeños módulos electrónicos y redes distribuidas en satélites, sondas o hábitats fuera de la Tierra. Su capacidad para convertir el movimiento mecánico, como las vibraciones o la fricción, en electricidad es una opción a tener muy en cuenta en el espacio.

"Los dispositivos TENG tienen el potencial de mejorar las misiones espaciales, ya que proporcionan soluciones energéticas sostenibles, autónomas y fiables que aumentarán tanto la eficiencia como la duración de las naves espaciales en entornos hostiles", señalan los autores en un artículo publicado en Nano-Micro Letters.

Cómo funcionan

La propuesta de los investigadores pasa por aprovechar los movimientos, las vibraciones, los contactos y deslizamientos que ya se producen en cualquier misión espacial para transformarlos directamente en electricidad, reduciendo la dependencia de grandes paneles solares y de baterías pesadas.

Pero primero conviene entender cómo funcionan estos dispositivos. El efecto triboeléctrico es el fenómeno por el cual dos materiales se cargan eléctricamente cuando entran en contacto y después se separan.

Es lo que ocurre, por ejemplo, cuando se frota un globo contra el pelo y, al apartarlo, el globo atrae pequeños trozos de papel. Durante el contacto, algunos electrones pasan de un material al otro y, al separarse, queda un desequilibrio de cargas que se traduce en lo que conocemos como electricidad estática.

Un nanogenerador triboeléctrico no es más que una forma controlada y optimizada de ese mismo efecto. Se seleccionan dos materiales con propiedades opuestas y se diseñan estructuras en las que esas superficies se tocan y se separan, o se deslizan una sobre la otra, de forma repetida.

Cada ciclo de contacto y separación genera una diferencia de potencial entre las capas; si se conecta un circuito externo, los electrones se mueven para compensar esa diferencia y se obtiene una corriente eléctrica utilizable.

En el contexto de las misiones espaciales, esta tecnología ofrece grandes ventajas, empezando por el peso. En un lanzamiento a órbita baja o a destinos más lejanos, como la Luna y Marte, cada gramo importa.

Los TENG se fabrican habitualmente con polímeros y capas delgadas de materiales conductores, formando estructuras ligeras y flexibles que pueden integrarse sobre superficies existentes sin aumentar apenas la masa total del sistema.

Esto permitiría, por ejemplo, revestir partes de un satélite, las ruedas de un rover o incluso el tejido del traje espacial de los astronautas con capas triboeléctricas capaces de actuar como pequeñas centrales eléctricas distribuidas.

Otra ventaja clave es que, a diferencia de la energía solar, estos generadores no dependen de la luz. En el espacio, los paneles solares seguirán siendo la fuente primaria de potencia para muchos sistemas, pero tienen limitaciones claras.

Por ejemplo, dejan de producir electricidad cuando el vehículo entra en sombra, cuando se acumula polvo sobre su superficie o durante los largos períodos a oscuras, como el que sufre la Luna durante casi dos semanas terrestres.

Los TENG, en cambio, necesitan movimiento relativo, impactos o vibraciones. Esto abre posibilidades interesantes en regiones permanentemente en sombra, en el interior de naves y hábitats lunares o en estructuras que experimentan cambios mecánicos aunque no reciban luz directa.

Aplicaciones prácticas

En la práctica, los autores del estudio plantean integrar nanogeneradores triboeléctricos en casi cualquier elemento que se mueva o vibre en una misión.

En satélites en órbita, las microvibraciones causadas por maniobras, cambios térmicos o pequeños impactos de partículas pueden aprovecharse si determinadas superficies externas incorporan capas triboeléctricas.

Ese mismo concepto se puede aplicar a las uniones estructurales, donde las ligeras deformaciones que se producen a lo largo de la vida del satélite podrían alimentar sensores que monitorizan la integridad de la estructura sin necesidad de cables de alimentación dedicados.

En rovers como Perseverance, cada giro de la rueda y cada bache del terreno pueden convertirse en una oportunidad para generar energía.

Revestir las ruedas o los sistemas de suspensión con generadores triboeléctricos permitiría obtener electricidad con cada desplazamiento y así alimentar sensores de proximidad o módulos de telemetría que de otro modo requerirían energía adicional de las baterías principales.

Los trajes espaciales son otro ámbito prometedor. Allí, los movimientos del propio astronauta al caminar, flexionar brazos o doblar el torso pueden emplearse para activar nanogeneradores integrados en las superficies textiles.

Esa energía podría usarse para alimentar sensores biométricos que monitorizan constantes vitales, sistemas de seguimiento de la postura o pequeños actuadores, aumentando así la seguridad con sensores clave que disponen de su propia microfuente de energía localizada.

En hábitats y módulos presurizados, como los que planean establecer la NASA y la agencia espacial china en la Luna y Marte, el concepto se extiende a paredes, suelos y elementos estructurales.

Cada pisada de un astronauta en el suelo, cada vibración del sistema de ventilación o cada movimiento de una puerta podría convertirse en unos milivatios adicionales que se acumulen en condensadores cercanos y alimenten redes de sensores distribuidos, sin necesidad de instalar grandes tendidos de cable.

Desafíos tecnológicos

Llevar estos conceptos al espacio no estará exento de importantes retos tecnológicos. La radiación y las temperaturas extremas pueden degradar los polímeros empleados, alterar sus propiedades eléctricas y reducir la vida útil de los generadores.

Por eso, los investigadores proponen seleccionar materiales y encapsulados adecuados para resistir años de servicio fuera de la Tierra.

El vacío del espacio añade otra complicación: en ausencia de aire, cambia la forma en la que se distribuyen y disipan las cargas en las superficies, lo que obliga a revisar los modelos desarrollados en laboratorio a presión atmosférica.

Un factor especialmente delicado es el polvo, muy presente en la Luna y Marte. Estas partículas, finas y abrasivas, pueden dañar las capas superficiales, pero al mismo tiempo su movimiento sobre materiales triboeléctricos es una fuente de carga.

En el propio estudio, los autores apuntan a diseños que intentan convertir el polvo levantado por el viento marciano o por el paso de un rover en una fuente extra de energía, en lugar de verlo solo como un problema.

Así, aunque estos nanogeneradores no reemplazarán a corto plazo a los paneles solares ni a las baterías como columna vertebral del suministro eléctrico, sí están llamados a convertirse en un complemento clave, especialmente cuando se combinan en sistemas híbridos.

En estos sistemas, una misma superficie puede integrar una célula solar que produce electricidad con la luz y, al mismo tiempo, una capa triboeléctrica que genera energía con la lluvia, el polvo o las vibraciones.

"Los TENG ofrecen una vía viable para resolver las limitaciones críticas de las tecnologías energéticas convencionales, como las células solares y la energía nuclear. Su diseño compacto, su ligereza y su capacidad para aprovechar la energía de los movimientos mecánicos los convierten en candidatos prometedores para aplicaciones espaciales", concluyen los investigadores.