La mayoría de las tecnologías de energía renovable dependen del clima. Los parques eólicos solo pueden operar cuando hay brisa, y las plantas de energía solar dependen de la luz solar. Los investigadores de la EPFL están trabajando en un método para capturar una fuente de energía que está constantemente disponible en los estuarios de los ríos:poder osmótico, también conocida como energía azul.

La ósmosis es un proceso natural mediante el cual las moléculas migran de una solución concentrada a una más diluida a través de una membrana semipermeable para equilibrar las concentraciones. En los estuarios de los ríos, Los iones de sal cargados eléctricamente se mueven del agua salada del mar al agua dulce del río. La idea es aprovechar este fenómeno para generar energía.

Investigadores del Laboratorio de Biología a Nanoescala de la EPFL (LBEN), que está dirigido por la profesora Aleksandra Radenovic en la Escuela de Ingeniería, han demostrado que la producción de energía mediante ósmosis se puede optimizar utilizando la luz. Reproduciendo las condiciones que ocurren en los estuarios, iluminaron un sistema que combinaba agua, sal y una membrana de solo tres átomos de espesor para generar más electricidad. Bajo el efecto de la luz, el sistema produce el doble de energía que en la oscuridad. Sus hallazgos han sido publicados en Joule .

En un artículo de 2016, Un equipo del LBEN demostró por primera vez que las membranas bidimensionales representaban una revolución potencial en la producción de energía osmótica. Pero en ese momento el experimento no utilizó condiciones del mundo real.

Iones que atraviesan un nanoporo

La adición de luz significa que la tecnología se ha acercado un paso más a la aplicación en el mundo real. El sistema consta de dos compartimentos llenos de líquido, a concentraciones de sal marcadamente diferentes, separados por una membrana de disulfuro de molibdeno (MoS2). En el medio de la membrana hay un nanoporo, un pequeño orificio de entre tres y diez nanómetros (una millonésima de milímetro) de diámetro.

Cada vez que un ion de sal pasa a través del orificio de la solución de alta a la de baja concentración, un electrón se transfiere a un electrodo, que genera una corriente eléctrica.

El potencial de generación de energía del sistema depende de varios factores, entre ellos la propia membrana, que debe ser delgada para generar la máxima corriente. El nanoporo también tiene que ser selectivo para crear una diferencia de potencial (un voltaje) entre los dos líquidos, como en una batería convencional. El nanoporo permite el paso de iones cargados positivamente, mientras aleja la mayoría de los cargados negativamente.

El sistema está finamente equilibrado. El nanoporo y la membrana tienen que estar muy cargados, y se necesitan varios nanoporos de idéntico tamaño, que es un proceso técnicamente desafiante.

Aprovechando el poder de la luz solar

Los investigadores solucionaron estos dos problemas al mismo tiempo mediante el uso de luz láser de baja intensidad. La luz libera electrones incrustados y hace que se acumulen en la superficie de la membrana, lo que aumenta la carga superficial del material. Como resultado, el nanoporo es más selectivo y el flujo de corriente aumenta.

"Tomados en conjunto, Estos dos efectos significan que no tenemos que preocuparnos tanto por el tamaño de los nanoporos, "explica Martina Lihter, investigador del LBEN. "Esas son buenas noticias para la producción a gran escala de la tecnología, ya que los agujeros no tienen que ser perfectos y uniformes ".

Según los investigadores, Se podría utilizar un sistema de espejos y lentes para dirigir esta luz hacia las membranas en los estuarios de los ríos. Se utilizan sistemas similares en colectores y concentradores solares, una tecnología que ya se emplea ampliamente en la energía fotovoltaica. "Esencialmente, el sistema podría generar energía osmótica día y noche, "explica Michael Graf, el autor principal del artículo. "La producción se duplicaría durante las horas del día".

Próximo paso

Los investigadores ahora continuarán su trabajo explorando posibilidades para aumentar la producción de la membrana, abordar una variedad de desafíos, como la densidad de poros óptima. Todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que la tecnología se pueda utilizar para aplicaciones del mundo real. Por ejemplo, la membrana ultrafina debe estabilizarse mecánicamente. Esto podría hacerse usando una oblea de silicio que contenga una densa matriz de membranas de nitruro de silicio, que son fáciles y económicos de fabricar.

Esta investigación, liderado por LBEN, se lleva a cabo como parte de una colaboración entre dos laboratorios de EPFL (LANES y LBEN) e investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad de Illinois Urbana-Champaign.

En 2016, investigadores del LBEN informaron que, por primera vez, habían producido poder osmótico a través de membranas bidimensionales que medían sólo tres átomos de espesor. El experimento fue una demostración importante de que los nanomateriales pueden representar una revolución en este dominio, con aplicación directa prevista para energías renovables y pequeñas, fuentes portátiles de energía.

En el momento, para lograr una alta generación de energía, los investigadores tuvieron que operar en un ambiente alcalino, con altos niveles de pH que se alejan de los valores encontrados en los estuarios. Se requería un pH alto para aumentar la carga superficial del MoS2 y mejorar la producción de potencia osmótica.

En esta época, en lugar de utilizar tratamientos químicos, los investigadores descubrieron que la luz podría desempeñar ese papel, permitiéndoles operar en condiciones del mundo real.