La información en tiempo real sobre las condiciones en el interior del pavimento es fundamental para prevenir su deterioro. En el proyecto REPARA 2.0 evaluamos la viabilidad de las tecnologías de transmisión inalámbrica de energía para recargar sensores autónomos embebidos en el pavimento.

El tráfico y las condiciones ambientales y meteorológicas, agravadas por los problemas relacionados con el cambio climático, afectan significativamente al deterioro del firme de nuestras carreteras.

Complementando las inspecciones visuales y la auscultación periódica, la instrumentación de tramos de vía en servicio nos permite tener una información del estado actual del firme, proceder, en su caso, cuanto antes a la reparación de cualquier daño, evitando así que se agrave y que se puedan producir situaciones peligrosas o irreversibles.

La utilización de sensores embebidos en la instrumentación nos permite además obtener información única y valiosa sobre el comportamiento estructural y sobre las condiciones en el interior de los pavimentos que, de otra forma, serían imposibles de determinar. Pero la instalación de los sensores embebidos es un proceso delicado: los sensores deben superar las condiciones agresivas durante el extendido y la compactación y deben quedar instalados bajo condiciones que garanticen la calidad de las medidas de las variables que recogen.

En el marco del Proyecto REPARA 2.0 está previsto desplegar sensores embebidos que permitirán una monitorización continua de las condiciones del interior del pavimento. Los datos obtenidos se transmitirán en tiempo real a un centro remoto de recogida de información, donde se aplicarán las nuevas técnicas de Big Data que se están desarrollando en el proyecto, con modelos que permitirán predecir de forma más fiable el proceso de deterioro del firme y adquirir conocimiento para conseguir firmes mucho más duraderos.

Además, como es necesario alimentar a los sensores embebidos durante el tiempo de vida del pavimento (normalmente el tiempo de vida del pavimento asfáltico se sitúa entre los 20 y 30 años) y no siempre se dispone de alimentación eléctrica cableada (o para superar los problemas de la flexibilidad del cableado), estamos desarrollando tecnologías para unos nuevos sensores autónomos, con alimentación no cableada y comunicación inalámbrica.


¿Qué podemos hacer para proveer de energía a nuestros sensores?

En nuestro entorno hay pequeñas fuentes energéticas, que con la tecnología adecuada pueden aprovecharse. En este sentido, se ha definido el concepto de recolección de energía ambiental (energy harvesting), que hace referencia al proceso por el cual se aprovecha la energía residual presente en el ambiente para producir energía eléctrica que puede ser almacenada o utilizada para alimentar pequeños dispositivos. Así, las vibraciones de baja frecuencia, variable y aleatoria se pueden transformar en energía eléctrica a través de dispositivos piezoeléctricos; los gradientes de temperatura a través de dispositivos termoeléctricos…

La energía generada puede usarse como fuente de alimentación para sensores de bajo consumo o como una fuerte de energía de soporte usando una batería recargable. Típicamente, se capturan cantidades muy pequeñas de energía en cada punto y/o en cada instante. La energía generada depende del tráfico o de las condiciones ambientales/meteorológicas y, por tanto, no es fácil garantizar que se obtendrá la energía suficiente para mantener las necesidades de potencia de la carga.

En el proyecto REPARA 2.0 hemos optado por evaluar la viabilidad de otra metodología muy innovadora: la recarga periódica de las baterías de los sensores mediante transmisión inalámbrica de energía (wireless power transfer, WPT). La transmisión inalámbrica es útil sobre todo en aquellos casos en donde la utilización de cables es inconveniente, peligrosa o no es posible. En nuestro caso, además permitirá garantizar la potencia necesaria para los sensores (principalmente definida por la transmisión de datos) durante el tiempo de vida del pavimento.


Transmisión inalámbrica de energía

Aunque los orígenes de la transmisión de energía a través de ondas corresponden a los primeros trabajos de Heinrich Hertz (físico alemán que descubrió la propagación de las ondas electromagnéticas, base de las modernas radiocomunicaciones), fue Nikola Tesla quien popularizó la idea de transmitir la electricidad a distancia sin utilizar un soporte material (sin cables) a finales del siglo XIX. La idea de Tesla consistía en proveer de energía eléctrica inalámbrica y telecomunicaciones a nivel mundial mediante una red de torres-antenas, aprovechando las propiedades de la ionósfera como se hace hoy en día para transmitir las ondas de radio.

Torre Tesla

Concepto artísitico de 1925 de la Torre de Nikola Tesla para transmisión de energía por ondas de radio, propuesta años antes. Imagen: Dominio público

Tesla, interesado en la resonancia buscó cómo aplicar este concepto a la transmisión inalámbrica de energía. El término resonancia hace referencia al reforzamiento de una oscilación al someter el sistema a oscilaciones de una frecuencia determinada. Por ejemplo, todos hemos observado que cuando una lavadora se pone en modo de centrifugado, la velocidad del tambor va aumentando, pasando en un momento determinado por su frecuencia de resonancia, en ese momento, el eje del tambor vibra sensiblemente y se produce un ruido brusco. Si la lavadora no está compensada apropiadamente, durante ese paso puede moverse e incluso salirse de su sitio. Tesla propuso que se puede transferir energía eléctrica mediante acoplamiento inductivo entre dos bobinas resonantes (lo que algunos denominan como “efecto Tesla”.


Actualmente se investiga el acoplamiento inductivo como tecnología para recargar teléfonos móviles o vehículos eléctricos. La transmisión inalámbrica de energía mediante acoplamiento inductivo (inductive coupling) se fundamenta en el uso de dos bobinas eléctricamente aisladas y acopladas magnéticamente (los mismos principios que un transformador eléctrico pero con acoplamiento entre bobinados ligeramente inferior). El principal inconveniente de la inducción es el alcance, el receptor debe estar muy cerca del transmisor (prácticamente en contacto). Un campo más grande e intenso podría inducir desde más lejos, pero el proceso sería muy ineficiente.

Como alternativa, se investiga en la inducción magnética resonante (resonant inductive coupling); que también se fundamenta en el uso de bobinas acopladas como elemento transmisor de energía, pero en este caso las bobinas son resonantes (la impedancia de las bobinas, es compensada mediante el uso de condensadores) lo que permite reforzar la transmisión y poder aumentar la distancia entre transmisor y receptor. En todo caso, actualmente la transferencia de energía tiene un alcance limitado.

En el proyecto REPARA 2.0, CARTIF colabora con los socios del proyecto evaluando la viabilidad de estas tecnologías para recargar los sensores autónomos embebidos en el pavimento. Prescindir de los cables, garantizando la alimentación de los sensores embebidos durante el tiempo de vida del pavimento, es un objetivo fascinante desde el punto de vista de su aplicabilidad.