Un equipo español investiga cómo combinar lo mejor del sol y la lluvia en un solo dispositivo para generar electricidad de forma continua, incluso cuando el cielo está nublado. Aunque la energía de la lluvia no cargará el móvil, sí podría mantener operativos sensores ambientales, dispositivos portátiles o sistemas en tuberías y ríos sin necesidad de baterías.
Cuando una gota de agua cae sobre una superficie sólida, su energía se transforma de varias formas: parte se convierte en vibraciones, otra en calor y, en ciertas condiciones, también puede convertirse en electricidad. Esta posibilidad de producir energía directamente a partir de fenómenos naturales, como la lluvia o el rocío, ha despertado mucho interés en los últimos años.
Los primeros estudios sobre la piezoelectricidad obtenida por el impacto de gotas de agua datan de principios de la década de los 2010, con investigadores explorando el uso de materiales que generaban una corriente eléctrica cuando se deformaban por el impacto de las gotas. Sin embargo, la energía lograda por cada una de ellas resultaba ínfima, lo que hacía que su viabilidad comercial fuera bastante limitada.
La llegada de los nanogeneradores triboeléctricos (TENG), en 2012, desarrollados por el profesor Zhong Ling Wang del Instituto Tecnológico de Georgia, supuso un salto cualitativo frente a las propuestas anteriores.
Con este método, cuando una gota de lluvia cae sobre ciertos materiales, como el teflón, se produce un intercambio de cargas eléctricas en la superficie. Dicho fenómeno, llamado electrificación por contacto o triboelectrificación, genera una diferencia de potencial que puede aprovecharse para producir electricidad.
Los TENG han sido diseñados para captar esa ‘energía azul’. Cada vez que una gota impacta y se separa del material, se induce una corriente eléctrica en un circuito externo. Este proceso se repite con cada nueva gota.
En 2017 Zhong desarrolló un TENG basado en lluvia usando una superficie especial que podía ‘absorber’ la energía cinética y eléctrica del impacto de gotas.
2020 fue otro año importante para estas técnicas. En febrero, científicos de la City University of Hong Kong presentaron un generador triboeléctrico (Droplet-based Electricity Generator, DEG) con un rendimiento sorprendente, llegando a encender 100 bombillas LED con una sola gota. El adelanto se dio a conocer en la revista Nature.
En el mismo año, el físico experto en fluidos y electrodinámica de superficies de la Universidad de Twente, Frieder Mugele, fue más allá. Su estudio introdujo un nuevo mecanismo para la captación de energía proveniente de gotas que impactan sobre superficies cargadas.
A través de un método llamado inyección de carga asistida por electrohumectación (EWCI), logró generar cargas eléctricas altamente estables que podían mantenerse durante meses. Esta técnica alcanzó un récord de eficiencia del 2,5 % respecto a la energía original de la gota, lo que supone un avance significativo en el aprovechamiento energético de este tipo de sistemas.
"Al principio, pensamos que muchos estudios sobre TENG eran bastante imprecisos en cuanto al mecanismo de funcionamiento y la conversión de energía. Por lo tanto, el artículo se centró principalmente en comprender cómo funcionan las cosas realmente", explica Mugele para SINC.
"La idea de la inyección de carga surgió de nuestra experiencia con electrohumectación y de la percepción de que la triboelectricidad es un proceso difícil de controlar que deja los portadores de carga en contacto con el agua, mientras que nuestro mecanismo de inyección los entierra a mayor profundidad en el material, protegiéndolos así", añade.
La energía solar, la eólica y las baterías se han abaratado enormemente, y muy poca gente querría caminar durante horas bajo una lluvia intensa para cargar la batería de su teléfono
Lamentablemente, según este investigador es muy poco probable que estas innovaciones lleguen a alimentar dispositivos que usemos en la vida cotidiana. El físico asegura, sin tapujos, que no le ve mucho potencial comercial. "Dejamos de trabajar en esto desde cualquier perspectiva de aplicación. Sin embargo, fundamentalmente, la carga triboeléctrica supone un desafío interesante", señala Mugele.
Una de las principales limitaciones es que la cantidad de energía contenida en la lluvia resulta ridículamente baja comparada con la solar (menos del 0,1 %). Para el autor, "aunque el sistema fuera 100 % eficiente en cuanto a su conversión nunca podrá competir" con esta fuente de energía.
"La energía solar, la eólica y las baterías se han abaratado enormemente, y muy poca gente querría caminar durante horas bajo una lluvia intensa para cargar la batería de su teléfono un pequeño porcentaje. Al sumar números, veo un problema para una tecnología de bajo consumo tan súper intermitente", concluye Mugele.
Recreación fotorrealista de un panel de lluvia formado de trecxels. / Xabier García Casas
3DScavengers es un proyecto financiado por el Consejo Europeo de Investigación en el que se busca desarrollar tecnologías de multicaptación de fuentes de energía ambiente, haciendo los sistemas de captación de gotas totalmente transparentes para su implementación en paneles solares.
En el caso de los paneles híbridos solar-lluvia la idea es sencilla: conseguir un sistema que pueda generar electricidad independientemente de las condiciones climáticas
"En el caso de los paneles híbridos solar-lluvia la idea es sencilla: conseguir un sistema que pueda generar electricidad independientemente de las condiciones climáticas. Sin embargo, es un objetivo enormemente ambicioso", reconoce Ana Isabel Borrás Martos, del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (centro mixto del CSIC y la Universidad de Sevilla) y coordinadora del proyecto.
La investigadora habla de algunos desafíos para lograrlo, como la mejora de la eficiencia en conversión de los TENG. Asimismo, menciona como reto principal la frecuencia de lluvia a la que van a estar expuestos los paneles.
En este sentido, están dando los primeros pasos para fabricar sistemas que no solo generen energía por gotas, sino también por la condensación de la humedad ambiente, ya que se trata de "un fenómeno con mayor continuidad y menor dependencia de las condiciones climáticas".
Borrás y su equipo también trabajan en el proyecto DropEner (financiado por los Fondos Next Generation de la Unión Europea y el Ministerio de Ciencia a través del Plan de Recuperación), Transformación y Resiliencia, para el que han desarrollado miles de pequeñas 'islas' o minigeneradores llamados Trecxels, una suerte de píxeles más pequeños que una gota. Para producir dichas mini estructuras se usan técnicas similares a las que se utilizan cuando se fabrican pantallas o chips de ordenador. El óxido de indio-estaño facilita que sean transparentes, permitiendo que puedan ponerse en ventanas, techos o paneles sin que molesten.
Otro desafío es el de la mojabilidad, es decir, que el agua no resbale demasiado rápido (no dando tiempo a generar electricidad) o las gotas no se queden pegadas mucho rato (impidiendo que otras gotas funcionen).
Borrás ve a estos nanogeneradores un "gran potencial" como complemento a los paneles solares, nunca como sustitutivos. Entre las principales ventajas de esta tecnología la investigadora vislumbra sus beneficios medioambientales, ya que no necesita combustibles ni depender de baterías.
"Como estos dispositivos generan una corriente eléctrica cada vez que un líquido pasa sobre ellos, pueden funcionar con un consumo muy bajo, o incluso autoalimentarse. Esto es especialmente importante para el desarrollo de tecnologías como el Internet de las Cosas (IoT), los wearables o las ciudades inteligentes”, afirma.
El trabajo de la investigadora Qian Yang, de la Universidad de Manchester y de la Royal Society University, también se fundamenta en "el tamaño". En concreto, se basa en el confinamiento nanocapilar, una herramienta identificada por Andre Geim en 2016.
Yang está estudiando cómo es el agua a nivel atómico, usando estructuras muy pequeñas denominadas 'nanocapilares' y hechas con grafeno, un material ultrafino y resistente. Estos pueden atrapar y estudiar una única capa de moléculas de agua para comprender cómo se mueven, cómo interactúan con otros materiales y cómo podrían generar energía.
Al principio, solo queríamos entender la física fundamental para generar electricidad al hacer fluir agua a través de grafeno u otras superficies grafíticas
Su trabajo busca entender el proceso de cómo el grafeno obtiene electricidad para hacerlo más eficiente y usarlo para aprovechar la energía de las gotas de lluvia o la corriente fluvial.
"Al principio, solo queríamos entender la física fundamental para generar electricidad al hacer fluir agua a través de grafeno u otras superficies grafíticas", señala la investigadora para SINC.
"Por un lado, porque es un tema muy interesante en sí mismo y de gran relevancia tecnológica para la sociedad. Por otro, porque existen muchos informes similares en la literatura que afirman generar electricidad con gotas o flujos de agua, pero el mecanismo que proponen varía y algunos se contradicen entre sí", lamenta.
Sin embargo, la autora descubrió en sus experimentos que parte de la electricidad registrada no procedía realmente del flujo del agua, sino de una reacción química inesperada: la deposición de plata desde los electrodos. Es decir, el principal problema es que la ciencia aún no ha esclarecido del todo qué sucede cuando el agua interactúa con el grafeno, y sin comprender ese fenómeno resulta complicado diseñar dispositivos eficaces que aprovechen este tipo de recurso.
Para aprovechar el potencial de las interacciones agua-grafeno, aún tenemos un largo camino por delante
"Sin entender el porqué, nunca podremos mejorar la conversión de energía, que sigue siendo muy baja para esta tecnología, incluso a nivel de laboratorio", señala Yang. "Para aprovechar el potencial de las interacciones agua-grafeno, aún tenemos un largo camino por delante, desde entender los mecanismos fundamentales hasta demostrar un dispositivo viable con alta eficiencia de conversión energética, subiendo poco a poco la escala de madurez tecnológica (TRL)".
Así, en su opinión, esta fuente emergente "todavía no podrá complementar a otros tipos de energías limpias, ni siquiera en la temporada de monzones", concluye.
El Instituto de Tecnología Química coordina el proyecto europeo hyPPER, un nuevo reactor que almacena y transporta energía eléctrica renovable mediante moléculas orgánicas portadoras de hidrógeno. La tecnología se integraría de manera más eficaz en plantas de energía renovable existentes.
En la jornada del 28 de abril de 2025 se ha vivido una imagen inédita: España ha colapsado por la caída de su sistema eléctrico. Las probabilidades de que este hecho ocurriese eran extremadamente bajas.
