Durante años, la diseñadora de telas Marianne Fairbanks fabricó bolsos con carga solar. Su compañía, Noon Solar, estaba orientada hacia el mercado de moda urbano de alta gama y, en su apogeo, se vendía en 30 tiendas en los Estados Unidos y Canadá. Mientras que Noon Solar cerró sus puertas en 2010, Fairbanks, quien se unió a la Universidad de Wisconsin-Madison en 2014 como profesor asistente en la escuela de ecología humana, todavía estaba intrigado con el concepto de diseño solar.
Una vez que llegó al campus, Fairbanks descubrió a Trisha Andrew, profesora asistente de química orgánica ahora en la Universidad de Massachusetts-Amherst. La especialidad de Andrew es desarrollar células solares livianas y de bajo costo. Específicamente, ella había creado una célula solar orgánica basada en colorantes sobre papel.
La colaboración entre los dos comenzó con una inocente llamada telefónica.
"Le pregunté a Trish", dice Fairbanks, "si pudiéramos aplicar su idea que había usado en papel sobre un textil. Y así comenzó nuestro proyecto ".
"La forma en que se crean los dispositivos electrónicos portátiles de hoy es un simple proceso de empaque", dice Andrew. “Un reloj Fitbit o Apple, todos tienen una PCB [placa de circuito impreso], que contiene el pequeño circuito electrónico. Le permite 'usar' ese dispositivo, pero para mí eso no es una electrónica portátil real. Eso es solo algo que está parchado en otro material ".
Su pasión compartida por la innovación solar ahora los tiene trabajando para finalizar el diseño de un textil solar. Si bien los planes de Fairbanks son, en última instancia, cultivar una tela terminada, Andrew espera tomar esa tela y fabricar productos comercializables. Andrew imagina paneles de tela para asientos de automóviles con calefacción o incluso pequeños paneles solares cosidos en una prenda más grande.
Trisha Andrew, izquierda, y Marianne Fairbanks, derecha, han desarrollado un prototipo tejido textil solar. (Foto por Jeff Miller / UW-Madison) Históricamente, los paneles solares han sido hechos de vidrio o plástico, materiales que son duros y pueden destruirse con bastante facilidad. Los investigadores primero recurrieron a los textiles en 2001 en un esfuerzo por crear un componente solar que sea flexible, transpirable y flexible. Desde entonces, las telas solares se han incorporado en cubiertas de estadios, garajes e incluso arte portátil, pero Andrew y Fairbanks afirman que su tela es superior a la transpirabilidad, resistencia y densidad de otros grupos. No solo han descubierto cómo utilizar su proceso en cualquier tipo de tela, sino que, dado que se trata de una colaboración entre científico y diseñador, también tienen la capacidad de ampliar el alcance de los textiles solares dentro de un mercado más comercial y amigable para el consumidor.
"El mayor problema es que los textiles, por una cuestión de ingeniería y química, son increíblemente ásperos", dice Andrew. “Son un sustrato tridimensional; no son planos ".
Su célula solar consiste en una capa de tela que tiene cuatro capas de diferentes polímeros. La primera capa es Poly (3, 4-etilendioxitiofeno), o "PEDOT", que Andrew y su asistente de investigación postdoctoral, Lushuai Zhang, descubrieron que funcionaba increíblemente bien para aumentar la conductividad de una tela. Las otras tres capas son varios colorantes semiconductores, como el colorante azul de cobre y ftalocianina, que actúan como capas fotoactivas o absorbentes de luz para la célula. Andrew y Fairbanks han logrado repetidos éxitos con las dos primeras capas, pero aún están resolviendo los problemas para las capas tres y cuatro.
Las telas, a diferencia del vidrio o plástico liso y brillante, son porosas, lo que hace que recubrirlas uniformemente con polímeros específicos sea un poco complicado. Si considera cómo se crea una pieza de tela, está compuesta de múltiples fibras entrelazadas. Cada fibra tendrá un nivel diferente de rugosidad que, desde el punto de vista químico, incluye múltiples escalas de luz (nanómetros, micrómetros, etc.).
"Para poner realmente el polímero electrónicamente conductor sobre esa superficie, tienes que atravesar todas estas escalas de luz diferentes", dice Andrew. "Y eso es difícil".
Para solucionar este problema, Andrew decidió probar la Deposición química de vapor (CVD), una técnica típicamente reservada para experimentos inorgánicos que utilizan sustratos duros como metales o plásticos. Al aprovechar las propiedades de transporte masivo o las leyes físicas generales que rigen el movimiento de masa de un punto a otro, Andrew puede recubrir uniformemente cualquier sustancia arbitraria, incluida la tela, porque los nanomateriales utilizados no se preocupan por la superficie del sustrato. . Aún mejor, ella aplica el PEDOT en el vacío.
El siguiente paso fue determinar qué telas funcionarían mejor.
"Traje seda, lana, nylon, todos estos sustratos diferentes", dice Fairbanks, y señala que los materiales eran muestras estándar de Jo-Ann Fabrics. Para probar las telas, recubrieron cada una de ellas con PEDOT y otros materiales semiconductores, luego las conectaron a los clips y alambres de los electrodos. Aplicaron voltaje y midieron la corriente de salida para cada muestra.
“Algunos de ellos se calentarían y tomarían la energía y la traducirían en calor; algunos dispensaron el calor, pero se condujeron mucho más fácilmente ”, dice Fairbanks.
"La conductividad del PEDOT estaba completamente determinada por los textiles subyacentes", agrega Andrew. “Si tuviéramos un textil poroso, obtendríamos una conductividad más alta que el cobre. Si teníamos un textil muy borroso, como un jersey de algodón o fieltro de lana, o textiles muy apretados, entonces la conductividad del PEDOT era realmente mala ”.
Basado en sus experimentos iniciales, Andrew propuso un prototipo de guante para aprovechar las diversas propiedades de cada tejido. Esencialmente, su diseño utilizaba textiles específicos para conducir electricidad para calentar diferentes partes del guante. El prototipo está hecho de fibra de piña, que es muy conductora y absorbe el calor, y algodón, que actúa como freno para mantener el calor contenido entre las capas. Este es el primer artículo que el dúo ha creado que esperan comercializar.
"Lo que es realmente fascinante de esta colaboración", dice Fairbanks, "es que no nos unimos para crear este guante, específicamente. Fue solo uno de estos otros resultados secundarios de la investigación original ".
A través del proceso de investigación y desarrollo, Andrew y Fairbanks han experimentado más allá de su idea textil solar inicial, que todavía es un trabajo en progreso, a otra innovación solar que consiste en recubrir cada fibra individual con PEDOT y entrelazar las piezas para formar el circuito de trabajo. . Este tejido completamente original funciona como un dispositivo triboeléctrico, traduciendo el movimiento mecánico en potencia. El dúo ha construido muestras de 10 por 10 pulgadas de diferentes patrones de tejido, con el más eficiente generando alrededor de 400 milivatios de potencia, simplemente agitándolo como una pequeña bandera.
"Si realmente hiciste una cortina estándar para una casa, algo de 4 por 4 pies, entonces eso es más que suficiente energía para cargar tu teléfono inteligente", dice Andrew, señalando que el material solo necesitaría una brisa a través de la ventana para generar ese nivel de poder.
Andrew y Fairbanks están trabajando con varias compañías dentro de una variedad de industrias que están interesadas en incorporar estas ideas en productos futuros. Andrew, por ejemplo, tiene una subvención de la Fuerza Aérea destinada a la producción de carpas solares para uso de soldados y tiene equipos de exterior en desarrollo con Patagonia.
"Me emociona mucho, porque los textiles son portátiles y ligeros", dice Fairbanks. "Podrían desplegarse en el desierto para un cazador o en el campo para aplicaciones médicas o militares de una manera que los grandes paneles solares torpes nunca podrían ser".
Fairbanks ve un potencial ilimitado. El textil solar, dice, podría usarse para cientos de aplicaciones futuras, incluidos paraguas, toldos y refugios para refugiados, mientras que el tejido triboeléctrico podría usarse en artículos para el hogar o ropa deportiva, como correr camisetas y zapatillas de tenis, cualquier cosa que requiera movimiento desde entonces. así es como genera energía.
"Estoy emocionado de que funcione al 100% y que salga al mundo", dice Fairbanks.
