Estuario del río Támesis, en el mar del Norte. Imagen: RonPorter. Fuente: Pixabay.
Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, Suiza) han desarrollado un sistema que genera electricidad a partir de ósmosis con una eficiencia sin precedentes. Su trabajo, que aparece en Nature, utiliza el agua de mar, agua dulce, y un nuevo tipo de membrana de sólo tres átomos de espesor.
Los defensores de la energía limpia pronto tendrán una nueva fuente para añadir a la energía solar, eólica e hidroeléctrica: la energía osmótica. O más concretamente, la 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.
Investigadores del Laboratorio de Biología de Nanoescala de la EPFL han desarrollado un sistema de generación de energía osmótica que ofrece rendimientos nunca antes vistos.
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 hacia el agua dulce hasta que ambos líquidos tienen la misma concentración de sal. Y puesto que un ion es simplemente un átomo con una carga eléctrica, el movimiento de los iones de sal puede aprovecharse para generar electricidad.
El sistema de la EPFL consta de dos compartimentos llenos de líquido separados por una membrana delgada hecha de disulfuro de molibdeno. La membrana tiene un pequeño agujero, o nanoporo, a través del cual pasan los iones del agua de mar hacia el agua fresca hasta que las concentraciones de sal de los dos fluidos son iguales. A medida que los iones pasan a través del nanoporo, sus electrones se transfieren a un electrodo -que es lo que se utiliza para generar una corriente eléctrica.
Gracias a sus propiedades la membrana permite que los iones con carga positiva pasen a través de lla, mientras que rechaza la mayoría de los cargados negativamente. Eso crea tensión entre los dos líquidos a medida que uno acumula carga positiva y el otro carga negativa. Esta tensión es lo que hace que la corriente generada por la transferencia de iones fluya.
Los defensores de la energía limpia pronto tendrán una nueva fuente para añadir a la energía solar, eólica e hidroeléctrica: la energía osmótica. O más concretamente, la 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.
Investigadores del Laboratorio de Biología de Nanoescala de la EPFL han desarrollado un sistema de generación de energía osmótica que ofrece rendimientos nunca antes vistos.
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 hacia el agua dulce hasta que ambos líquidos tienen la misma concentración de sal. Y puesto que un ion es simplemente un átomo con una carga eléctrica, el movimiento de los iones de sal puede aprovecharse para generar electricidad.
El sistema de la EPFL consta de dos compartimentos llenos de líquido separados por una membrana delgada hecha de disulfuro de molibdeno. La membrana tiene un pequeño agujero, o nanoporo, a través del cual pasan los iones del agua de mar hacia el agua fresca hasta que las concentraciones de sal de los dos fluidos son iguales. A medida que los iones pasan a través del nanoporo, sus electrones se transfieren a un electrodo -que es lo que se utiliza para generar una corriente eléctrica.
Gracias a sus propiedades la membrana permite que los iones con carga positiva pasen a través de lla, mientras que rechaza la mayoría de los cargados negativamente. Eso crea tensión entre los dos líquidos a medida que uno acumula carga positiva y el otro carga negativa. Esta tensión es lo que hace que la corriente generada por la transferencia de iones fluya.
Nanoporos
"Tuvimos que fabricar primero y luego investigar el tamaño óptimo del nanoporo. Si es demasiado grande, los iones negativos pueden pasar a través de él y la tensión resultante sería demasiado baja. Si es demasiado pequeño, no pasan suficientes iones a través de él y la corriente sería demasiado débil", dice Jiandong Feng, autor principal de la investigación, en la nota de prensa de la EPFL.
Lo que diferencia el sistema es su membrana. En estos tipos de sistemas, la corriente aumenta con una membrana más fina. Y la membrana de la EPFL tiene sólo unos pocos átomos de espesor. El material de qué está hecha -disulfuro de molibdeno- es ideal para la generación de una corriente osmótica. "Esta es la primera vez que se utiliza un material de dos dimensiones para este tipo de aplicación", dice Aleksandra Radenovic, jefe del Laboratorio de Biología a Nanoescala.
El potencial del nuevo sistema es enorme. De acuerdo con sus cálculos, una membrana de 1 metro cuadrado con un 30% de su superficie cubierta por nanoporos debe ser capaz de producir 1 megavatio de electricidad -lo suficiente para alimentar 50.000 bombillas de bajo consumo estándar-. Y puesto que el disulfuro de molibdeno (MoS2) es fácil de encontrar en la naturaleza o se puede producir por deposición química de vapor, el sistema sería escalable para la generación de energía a gran escala. El principal desafío para conseguirlo es encontrar la manera de hacer poros relativamente uniformes.
Hasta ahora, los investigadores han trabajado sobre una membrana con un solo nanoporo, con el fin de comprender exactamente lo que estaba pasando. ''Desde una perspectiva de ingeniería, el sistema de un solo nanoporos es ideal para mejorar nuestra comprensión fundamental de estos procesos y proporcionar información útil para la comercialización a nivel industrial", dice Jiandong Feng.
Los investigadores fueron capaces de hacer funcionar un nanotransistor con la corriente generada por un solo nanoporo: un nanosistema autoalimentado. Los transistores de MoS2 de una sola capa y baja potencia se fabricaron en colaboración con el equipo de Andras Kis en la EPFL, mientras que se realizaron simulaciones de dinámica molecular en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU.).
Estuarios
La investigación de la EPFL es parte de una tendencia en crecimiento. Durante los últimos años, los científicos de todo el mundo han estado desarrollando sistemas que aprovechan la energía osmótica para generar electricidad. Hay proyectos piloto en lugares como Noruega, 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 orgánicos y frágiles, y proporcionan bajos rendimientos. 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 vuelvan más robustos, la energía osmótica podrá desempeñar un papel importante en la generación de energía renovable. Mientras que los paneles solares requieren luz solar adecuada y turbinas eólicas viento adecuado, la energía osmótica se puede producir casi a cualquier hora del día o de la noche -siempre que haya un estuario cerca.
"Tuvimos que fabricar primero y luego investigar el tamaño óptimo del nanoporo. Si es demasiado grande, los iones negativos pueden pasar a través de él y la tensión resultante sería demasiado baja. Si es demasiado pequeño, no pasan suficientes iones a través de él y la corriente sería demasiado débil", dice Jiandong Feng, autor principal de la investigación, en la nota de prensa de la EPFL.
Lo que diferencia el sistema es su membrana. En estos tipos de sistemas, la corriente aumenta con una membrana más fina. Y la membrana de la EPFL tiene sólo unos pocos átomos de espesor. El material de qué está hecha -disulfuro de molibdeno- es ideal para la generación de una corriente osmótica. "Esta es la primera vez que se utiliza un material de dos dimensiones para este tipo de aplicación", dice Aleksandra Radenovic, jefe del Laboratorio de Biología a Nanoescala.
El potencial del nuevo sistema es enorme. De acuerdo con sus cálculos, una membrana de 1 metro cuadrado con un 30% de su superficie cubierta por nanoporos debe ser capaz de producir 1 megavatio de electricidad -lo suficiente para alimentar 50.000 bombillas de bajo consumo estándar-. Y puesto que el disulfuro de molibdeno (MoS2) es fácil de encontrar en la naturaleza o se puede producir por deposición química de vapor, el sistema sería escalable para la generación de energía a gran escala. El principal desafío para conseguirlo es encontrar la manera de hacer poros relativamente uniformes.
Hasta ahora, los investigadores han trabajado sobre una membrana con un solo nanoporo, con el fin de comprender exactamente lo que estaba pasando. ''Desde una perspectiva de ingeniería, el sistema de un solo nanoporos es ideal para mejorar nuestra comprensión fundamental de estos procesos y proporcionar información útil para la comercialización a nivel industrial", dice Jiandong Feng.
Los investigadores fueron capaces de hacer funcionar un nanotransistor con la corriente generada por un solo nanoporo: un nanosistema autoalimentado. Los transistores de MoS2 de una sola capa y baja potencia se fabricaron en colaboración con el equipo de Andras Kis en la EPFL, mientras que se realizaron simulaciones de dinámica molecular en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU.).
Estuarios
La investigación de la EPFL es parte de una tendencia en crecimiento. Durante los últimos años, los científicos de todo el mundo han estado desarrollando sistemas que aprovechan la energía osmótica para generar electricidad. Hay proyectos piloto en lugares como Noruega, 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 orgánicos y frágiles, y proporcionan bajos rendimientos. 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 vuelvan más robustos, la energía osmótica podrá desempeñar un papel importante en la generación de energía renovable. Mientras que los paneles solares requieren luz solar adecuada y turbinas eólicas viento adecuado, la energía osmótica se puede producir casi a cualquier hora del día o de la noche -siempre que haya un estuario cerca.
Referencia bibliográfica:
Jiandong Feng, Michael Graf, Ke Liu, Dmitry Ovchinnikov, Dumitru Dumcenco, Mohammad Heiranian, Vishal Nandigana, Narayana R. Aluru, Andras Kis, Aleksandra Radenovic: Single-layer MoS2 nanopores as nanopower generators. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature18593.
Jiandong Feng, Michael Graf, Ke Liu, Dmitry Ovchinnikov, Dumitru Dumcenco, Mohammad Heiranian, Vishal Nandigana, Narayana R. Aluru, Andras Kis, Aleksandra Radenovic: Single-layer MoS2 nanopores as nanopower generators. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature18593.