Los defensores de la energía limpia pronto tendrán una nueva fuente para agregar a su matriz existente de energía solar, viento, e hidroelectricidad:energía osmótica. O más específicamente, energía generada por un fenómeno natural que se produce cuando el agua dulce entra en contacto con el agua de mar a través de una membrana.

Los investigadores del Laboratorio de Biología a Nanoescala de la EPFL han desarrollado un sistema de generación de energía osmótica que ofrece rendimientos nunca antes vistos. Su innovación radica en una membrana de tres átomos de espesor que se utiliza para separar los dos fluidos. Los resultados de su investigación se han publicado en Naturaleza .

El concepto es bastante simple. Una membrana semipermeable separa dos fluidos con diferentes concentraciones de sal. Los iones de sal viajan a través de la membrana hasta que las concentraciones de sal en los dos fluidos alcanzan el equilibrio. Ese fenómeno es precisamente la ósmosis.

Si el sistema se utiliza con agua de mar y agua dulce, Los iones de sal en el agua de mar pasan a través de la membrana al agua dulce hasta que ambos fluidos tienen la misma concentración de sal. Y dado que un ion es simplemente un átomo con carga eléctrica, el movimiento de los iones de sal se puede aprovechar para generar electricidad.

A 3 átomos de espesor, membrana selectiva que hace el trabajo

El sistema de EPFL consta de dos compartimentos llenos de líquido separados por una fina membrana hecha de bisulfuro de molibdeno. La membrana tiene un pequeño orificio o nanoporo, a través del cual los iones de agua de mar pasan al agua dulce hasta que las concentraciones de sal de los dos fluidos son iguales. A medida que los iones atraviesan el nanoporo, sus electrones se transfieren a un electrodo, que es el que se utiliza para generar una corriente eléctrica.

Gracias a sus propiedades, la membrana permite el paso de iones cargados positivamente, mientras aleja a la mayoría de los cargados negativamente. Eso crea voltaje entre los dos líquidos a medida que uno acumula una carga positiva y el otro una carga negativa. Este voltaje es el que hace que fluya la corriente generada por la transferencia de iones.

"Primero tuvimos que fabricar y luego investigar el tamaño óptimo del nanoporo. Si es demasiado grande, los iones negativos pueden pasar y el voltaje resultante sería demasiado bajo. Si es demasiado pequeño no pueden pasar suficientes iones y la corriente sería demasiado débil, "dijo Jiandong Feng, autor principal de la investigación.

Lo que distingue al sistema de EPFL es su membrana. En este tipo de sistemas, la corriente aumenta con una membrana más delgada. Y la membrana de EPFL tiene solo unos pocos átomos de espesor. El material del que está hecho, disulfuro de molibdeno, es ideal para generar una corriente osmótica. "Esta es la primera vez que se utiliza un material bidimensional para este tipo de aplicación, "dijo Aleksandra Radenovic, jefe del laboratorio de biología a nanoescala

Alimentando 50.000 bombillas de bajo consumo con membrana de 1m2

El potencial del nuevo sistema es enorme. Según sus cálculos, una membrana de 1 m² con un 30% de su superficie cubierta por nanoporos debería poder producir 1 MW de electricidad, o lo suficiente para alimentar 50, 000 bombillas estándar de bajo consumo. Y dado que el disulfuro de molibdeno (MoS2) se encuentra fácilmente en la naturaleza o puede cultivarse mediante deposición química de vapor, el sistema podría incrementarse de manera factible para la generación de energía a gran escala. El mayor desafío en la ampliación de este proceso es descubrir cómo hacer poros relativamente uniformes.

Hasta ahora, los investigadores han trabajado en una membrana con un solo nanoporo, para comprender con precisión lo que estaba pasando. '' Desde una perspectiva de ingeniería, El sistema de nanoporo único es ideal para ampliar nuestra comprensión fundamental de los procesos basados ​​en membranas y proporcionar información útil para la comercialización a nivel industrial '', dijo Jiandong Feng.

Los investigadores pudieron ejecutar un nanotransistor a partir de la corriente generada por un solo nanoporo y, por lo tanto, demostraron un nanosistema autoamplificado. Los transistores MoS2 de una sola capa de baja potencia se fabricaron en colaboración con el equipo de Andreas Kis en EPFL, mientras que las simulaciones de dinámica molecular fueron realizadas por colaboradores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

Aprovechar el potencial de los estuarios

La investigación de EPFL es parte de una tendencia creciente. Durante los últimos años, Los científicos de todo el mundo han estado desarrollando sistemas que aprovechan el poder osmótico para generar electricidad. Han surgido proyectos piloto en lugares como Noruega, Los países bajos, Japón, y Estados Unidos para generar energía en los estuarios, donde los ríos desembocan en el mar. Por ahora, las membranas utilizadas en la mayoría de los sistemas son orgánicas y frágiles, y ofrecer rendimientos bajos. Algunos sistemas utilizan el movimiento del agua, en lugar de iones, para alimentar turbinas que a su vez producen electricidad.

Una vez que los sistemas se vuelven más robustos, La energía osmótica podría desempeñar un papel importante en la generación de energía renovable. Si bien los paneles solares requieren luz solar adecuada y turbinas eólicas viento adecuado, La energía osmótica se puede producir prácticamente en cualquier momento del día o de la noche, siempre que haya un estuario cerca.