El Trabajo Final de Graduación de Javier Alejandro Arapayu para la Licenciatura en Ciencias Física de la UNNE, estudió de forma teórica y con simulaciones, un dispositivo formado por espejos y luz que podría convertir la radiación térmica en movimiento. El estudio plantea un principio de funcionamiento para máquinas microscópicas capaces de aprovechar la energía presente en el ambiente. La investigación aporta conocimiento para el desarrollo de fuentes alternativas de alimentación para dispositivos autónomos utilizados en sensores y sistemas del llamado Internet de las cosas.
Todos los objetos que nos rodean emiten calor en forma de ondas conocidas como radiación térmica. Durante décadas, la comunidad científica trató ese fenómeno como un problema: una fuente de ruido e interferencia que degradaba el funcionamiento de los dispositivos electrónicos.
El estudiante de la Licenciatura en Ciencias Físicas de la Universidad Nacional del Nordeste, Javier Alejandro Arapayu, desarrolló un trabajo final de graduación orientado a estudiar nuevas formas de obtener energía para dispositivos de tamaño microscópico (nanoscópicos). La investigación analiza cómo aprovechar la radiación térmica del entorno para producir movimiento y generar trabajo mecánico en sistemas a escala muy pequeña.
La investigación se enmarca en un campo con consecuencias sobre el desarrollo del llamado Internet de las cosas —la red de sensores, electrodomésticos y dispositivos cotidianos interconectados que toman decisiones sin intervención humana directa—. Uno de los problemas centrales de ese campo es el suministro de energía: cómo alimentar una cantidad creciente de dispositivos pequeños, distribuidos en espacios donde no siempre hay acceso a una fuente convencional de energía.
En ese contexto, la investigación busca generar conocimiento sobre la posibilidad de utilizar fuentes de energía presentes en el ambiente. En particular, analiza la radiación térmica, un tipo de energía que todos los cuerpos emiten debido a su temperatura y que suele considerarse un factor que introduce interferencias en los sistemas electrónicos.
El trabajo de Arapayu contó con la dirección y asesoramiento del doctor Lucas Fernández Alcázar, docente – investigador de la FaCENA de la UNNE y el IMIT (Conicet-UNNE). El estudio se realizó desde un punto de vista teórico y mediante simulaciones en computadora.
Dispositivo y tipo de estudio. El dispositivo propuesto consiste en una cavidad óptica: dos espejos enfrentados entre los cuales rebota luz. Uno de esos espejos puede desplazarse. La luz que circula dentro de la cavidad ejerce una presión sobre ese espejo móvil, y esa presión es la que produce el movimiento.
A esto se le agrega un material con una propiedad particular: su respuesta a la luz no es proporcional a la intensidad de esa luz, sino que se vuelve irregular a partir de ciertos umbrales. Esa irregularidad hace que el sistema pueda estar en dos estados posibles al mismo tiempo, como un interruptor que puede estar simultáneamente «casi encendido» y «casi apagado». Esa condición es la que hace posible que las fluctuaciones de calor del ambiente empujen al sistema de un estado al otro y, al hacerlo, generen movimiento.
El estudio fue teórico y numérico: no se construyó el dispositivo físicamente, sino que se analizaron las ecuaciones que describen su comportamiento y se realizaron simulaciones computacionales para observar cómo se comportaría en distintas condiciones.
Resultados interesantes. Los resultados mostraron que existe una temperatura de trabajo en la que el motor funciona de manera más conveniente: extrae más energía, lo hace con mayor regularidad y repite sus ciclos de movimiento de forma más ordenada. Por debajo o por encima de esa temperatura, el desempeño cae.
Esto contradice la creencia de que el calor ambiental solo genera desorden y pérdida de rendimiento. En este diseño, el calor no solo no perjudica al motor: es el ingrediente que lo pone en marcha. Sin fluctuaciones térmicas, el motor no funciona.
Además, el trabajo identificó que el motor funciona mejor cuando el espejo móvil opera en un régimen en el que la fricción es lo suficientemente intensa como para que el movimiento sea lento y controlado —lo que en términos técnicos se denomina régimen sobreamortiguado—. Eso sugiere que el dispositivo sería adecuado para operar sumergido en líquidos, como los que se encuentran en sistemas de monitoreo biológico o en dispositivos de análisis de fluidos a pequeña escala.
Conclusiones. El trabajo concluye que los sistemas con comportamientos no lineales —aquellos en los que la respuesta no es proporcional al estímulo— pueden cooperar con el calor ambiental para producir movimiento y energía útil, en lugar de verse perjudicados por él.
El motor propuesto ilustra un principio de diseño para máquinas autónomas a escala microscópica en las que la irregularidad del entorno no es un obstáculo sino un recurso.
El trabajo de Arapayu identifica una relación entre el comportamiento del sistema estudiado y ciertos modelos utilizados para describir el funcionamiento de neuronas artificiales. Esa conexión abre la posibilidad de explorar aplicaciones futuras en el desarrollo de dispositivos que reproduzcan procesos similares a los del sistema nervioso.
Otra arista interesante de la investigación es que aporta conocimiento sobre el aprovechamiento de fuentes de energía presentes en el entorno y propone un principio de funcionamiento para motores microscópicos basados en la interacción entre radiación térmica y sistemas físicos capaces de responder a fluctuaciones del ambiente.
