El motor de evaporación flotante funciona al abrirse y cerrarse unas 'persianas venecianas'. Imagen: Joe Turner Lin. Fuente: Sinc.
Un fuerza inmensamente poderosa y sin embargo invisible hace que el agua de la tierra suba por encima de la secuoya más alta y produzca nieve en las cimas del Himalaya. Sin embargo, a pesar del poder de la evaporación del agua, su potencial para impulsar dispositivos autosuficientes o producir electricidad ha permanecido en gran medida sin explotar - hasta ahora.
Científicos de la Universidad de Columbia (Nueva York, EE.UU.) informaron ayer en Nature Communications del desarrollo de dos nuevos dispositivos que obtienen energía directamente de la evaporación: un motor de pistón flotante que genera electricidad que hace parpadear a una luz led, y un motor rotatorio que impulsa un coche en miniatura.
Cuando la energía de evaporación se escale, predicen los investigadores, algún día podrá producirse electricidad a partir de generadores de energía flotantes gigantes instalados en bahías o embalses, o de enormes máquinas rotatorias semejantes a las turbinas eólicas de la superficie, dice Ozgur Sahin, profesor de ciencias biológicas y de física en la Universidad de Columbia y autor principal del artículo, en la nota de prensa recogida por EurekAlert!
"La evaporación es una fuerza fundamental de la naturaleza", dice Sahin. "Está en todas partes, y es más potente que otras fuerzas como el viento y las olas."
Bacterias
El año pasado, Sahin descubrió que cuando las esporas bacterianas se encogen y se hinchan con el cambio de humedad, pueden empujar y tirar de otros objetos con fuerza. En proporción, mueven más energía que otros materiales utilizados en la ingeniería para mover objetos, según explicó en un artículo publicado en Nature Nanotechnology, basado en su trabajo en la Universidad de Harvard.
“Si el material esponjoso tiene poros muy pequeños, la energía generada por los cambios de humedad puede ser tan fuerte que incluso cause daños, como cuando la madera de los muebles se rompe en entornos húmedos”, señala el experto a Sinc.
Basándose en los resultados del año pasado, Sahin y sus colegas de Columbia buscaron cómo construir dispositivos reales que pudieran ser impulsados por este tipo de energía.
Para construir un motor de pistón impulsado por flotación, los investigadores pegaron primero esporas de Bacillus subtilis a ambos lados de una cinta de plástico de doble cara delgada, similar a la de las cintas de cassette, creando una línea intermitente de esporas. Hicieron lo mismo en el lado opuesto de la cinta, pero de modo que los huecos coincidieran con las esporas del otro lado, y viceversa.
Cuando el aire seco encoge las esporas, la cinta se curva. Esto transforma la cinta de recta a ondulada, acortándola. Si uno o los dos extremos de la cinta están enganchados a algo, la cinta tira de ello. A la inversa, cuando el aire es húmedo, la cinta se estira, liberando la fuerza. El resultado es un nuevo tipo de músculo artificial que se controla con la humedad.
Científicos de la Universidad de Columbia (Nueva York, EE.UU.) informaron ayer en Nature Communications del desarrollo de dos nuevos dispositivos que obtienen energía directamente de la evaporación: un motor de pistón flotante que genera electricidad que hace parpadear a una luz led, y un motor rotatorio que impulsa un coche en miniatura.
Cuando la energía de evaporación se escale, predicen los investigadores, algún día podrá producirse electricidad a partir de generadores de energía flotantes gigantes instalados en bahías o embalses, o de enormes máquinas rotatorias semejantes a las turbinas eólicas de la superficie, dice Ozgur Sahin, profesor de ciencias biológicas y de física en la Universidad de Columbia y autor principal del artículo, en la nota de prensa recogida por EurekAlert!
"La evaporación es una fuerza fundamental de la naturaleza", dice Sahin. "Está en todas partes, y es más potente que otras fuerzas como el viento y las olas."
Bacterias
El año pasado, Sahin descubrió que cuando las esporas bacterianas se encogen y se hinchan con el cambio de humedad, pueden empujar y tirar de otros objetos con fuerza. En proporción, mueven más energía que otros materiales utilizados en la ingeniería para mover objetos, según explicó en un artículo publicado en Nature Nanotechnology, basado en su trabajo en la Universidad de Harvard.
“Si el material esponjoso tiene poros muy pequeños, la energía generada por los cambios de humedad puede ser tan fuerte que incluso cause daños, como cuando la madera de los muebles se rompe en entornos húmedos”, señala el experto a Sinc.
Basándose en los resultados del año pasado, Sahin y sus colegas de Columbia buscaron cómo construir dispositivos reales que pudieran ser impulsados por este tipo de energía.
Para construir un motor de pistón impulsado por flotación, los investigadores pegaron primero esporas de Bacillus subtilis a ambos lados de una cinta de plástico de doble cara delgada, similar a la de las cintas de cassette, creando una línea intermitente de esporas. Hicieron lo mismo en el lado opuesto de la cinta, pero de modo que los huecos coincidieran con las esporas del otro lado, y viceversa.
Cuando el aire seco encoge las esporas, la cinta se curva. Esto transforma la cinta de recta a ondulada, acortándola. Si uno o los dos extremos de la cinta están enganchados a algo, la cinta tira de ello. A la inversa, cuando el aire es húmedo, la cinta se estira, liberando la fuerza. El resultado es un nuevo tipo de músculo artificial que se controla con la humedad.
Experimento
Sahin y Xi Chen, un becario postdoctoral de su laboratorio, colocaron decenas de estas cintas unas junto a otras, creando un músculo artificial más fuerte que luego se colocó dentro de un cubículo de plástico flotante cubierto con una capa de tablillas de madera que dejaba filtrar agua (como una persiana veneciana).
Dentro de la caja, el agua se evaporaba humidificando el agua. La humedad hacía que el músculo se alargara, y se abriera la persiana, permitiendo que el aire se secara. Cuando la humedad se escapaba, las esporas encogían y las cintas se contraían, tirando de las tablillas y permitiendo que se formara humedad de nuevo. Un ciclo auto-sostenible de movimiento había nacido.
"Cuando colocábamos agua debajo del dispositivo, de repente volvía a la vida, se movía por sí mismo", dice Chen.
El sistema funciona como un pistón. Acoplar ese pistón a un generador produjo electricidad suficiente para que una pequeña luz led parpadeara. "Transformarmos la evaporación de agua en luz", dice Sahin.
Con su potencia actual, el motor por evaporación flotante podría alimentar pequeñas luces o sensores flotantes en el fondo del océano que vigilaran el medio ambiente, dice Chen, que especula con que una versión mejorada con cinta de plástico más adherente y más esporas potencialmente podría generar aún más energía por unidad de área que un parque eólico.
El 'Molino de Humedad'
Otro nuevo motor impulsado por evaporación del equipo de Columbia -el Molino de Humedad- contiene una rueda de plástico con pestañas de cinta que sobresalen, recubiertas por un lado con esporas.
“Un papel mojado recubre la mitad de la rueda, provocando que al aire sea húmedo y que las cintas se ensanchen. Cuando salen de esta zona y el aire es más seco, se vuelven a contraer”, indica Sahin. Como resultado, la rueda gira continuamente, actuando en la práctica como un motor rotativo.
Los investigadores construyeron un coche de juguete pequeño (0,1 kg de peso), accionado con el Molino de Humedad -conectado a cuatro ruedines-, y conseguieron que rodara por su cuenta, impulsado únicamente por evaporación. En el futuro, dice Sahin, puede que sea posible diseñar motores que utilicen la energía mecánica almacenada en las esporas para propulsar un vehículo de tamaño real. Dicho motor no necesitaría ni combustible ni una batería eléctrica.
Una versión más grande del Molino de humedad también podría producir electricidad, dice Sahin, que propone una rueda situada por encima de un gran conjunto de agua, que al evaporarse hace que la rueda gire y genere electricidad. Este desarrollo produciría constantemente tanta electricidad como una turbina eólica, dijo Sahin.
“La evaporación puede ser una fuente fiable y productiva de energía renovable, ya que a diferencia de lo que sucede con la eólica o la solar, se produce constantemente, tanto por el día como por la noche”, concluye el investigador.
Sahin y Xi Chen, un becario postdoctoral de su laboratorio, colocaron decenas de estas cintas unas junto a otras, creando un músculo artificial más fuerte que luego se colocó dentro de un cubículo de plástico flotante cubierto con una capa de tablillas de madera que dejaba filtrar agua (como una persiana veneciana).
Dentro de la caja, el agua se evaporaba humidificando el agua. La humedad hacía que el músculo se alargara, y se abriera la persiana, permitiendo que el aire se secara. Cuando la humedad se escapaba, las esporas encogían y las cintas se contraían, tirando de las tablillas y permitiendo que se formara humedad de nuevo. Un ciclo auto-sostenible de movimiento había nacido.
"Cuando colocábamos agua debajo del dispositivo, de repente volvía a la vida, se movía por sí mismo", dice Chen.
El sistema funciona como un pistón. Acoplar ese pistón a un generador produjo electricidad suficiente para que una pequeña luz led parpadeara. "Transformarmos la evaporación de agua en luz", dice Sahin.
Con su potencia actual, el motor por evaporación flotante podría alimentar pequeñas luces o sensores flotantes en el fondo del océano que vigilaran el medio ambiente, dice Chen, que especula con que una versión mejorada con cinta de plástico más adherente y más esporas potencialmente podría generar aún más energía por unidad de área que un parque eólico.
El 'Molino de Humedad'
Otro nuevo motor impulsado por evaporación del equipo de Columbia -el Molino de Humedad- contiene una rueda de plástico con pestañas de cinta que sobresalen, recubiertas por un lado con esporas.
“Un papel mojado recubre la mitad de la rueda, provocando que al aire sea húmedo y que las cintas se ensanchen. Cuando salen de esta zona y el aire es más seco, se vuelven a contraer”, indica Sahin. Como resultado, la rueda gira continuamente, actuando en la práctica como un motor rotativo.
Los investigadores construyeron un coche de juguete pequeño (0,1 kg de peso), accionado con el Molino de Humedad -conectado a cuatro ruedines-, y conseguieron que rodara por su cuenta, impulsado únicamente por evaporación. En el futuro, dice Sahin, puede que sea posible diseñar motores que utilicen la energía mecánica almacenada en las esporas para propulsar un vehículo de tamaño real. Dicho motor no necesitaría ni combustible ni una batería eléctrica.
Una versión más grande del Molino de humedad también podría producir electricidad, dice Sahin, que propone una rueda situada por encima de un gran conjunto de agua, que al evaporarse hace que la rueda gire y genere electricidad. Este desarrollo produciría constantemente tanta electricidad como una turbina eólica, dijo Sahin.
“La evaporación puede ser una fuente fiable y productiva de energía renovable, ya que a diferencia de lo que sucede con la eólica o la solar, se produce constantemente, tanto por el día como por la noche”, concluye el investigador.
Referencia bibliográfica:
Chen, X. et al.: Scaling up nanoscale water-driven energy conversion into evaporation-driven engines and generators. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms8346.
Chen, X. et al.: Scaling up nanoscale water-driven energy conversion into evaporation-driven engines and generators. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms8346.