Científicos desarrollan nueva fuente de energía renovable en estuarios de los ríos

La producción de energía mediante ósmosis se puede optimizar utilizando la luz

Un método en desarrollo pretende capturar una fuente de energía renovable que está constantemente disponible en los estuarios de los ríos: el poder osmótico, también conocido 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 pasan del agua salada al agua dulce del río. La idea es aprovechar este fenómeno para generar energía.

Investigadores del Laboratorio de Biología a Nanoescala (LBEN) de EPFL, dirigido por la profesora Aleksandra Radenovic, de la Escuela de Ingeniería, han demostrado que la producción de energía mediante ósmosis se puede optimizar utilizando la luz. Al reproducir las condiciones que ocurren en los estuarios, iluminaron un sistema que combina 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, como se detalla en 'Joule'.

En un artículo de 2016, un equipo de LBEN demostró por primera vez que las membranas 2D representaban una revolución potencial en la producción de energía osmótica. Pero en ese momento, el experimento no usaba condiciones reales.

IONES PASANDO POR 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 involucra dos compartimientos llenos de líquido, en concentraciones de sal marcadamente diferentes, separadas por una membrana de disulfuro de molibdeno (MoS2). En el medio de la membrana hay un nanoporo, un agujero pequeño de entre tres y diez nanómetros (una millonésima de milímetro) de diámetro.

Cada vez que un ion salino pasa a través del orificio de la solución de alta a 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 membrana en sí misma, 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, al igual que en una batería convencional. El nanoporo permite que los iones cargados positivamente pasen, mientras que aleja a la mayoría de los cargados negativamente. El sistema está finamente equilibrado: rl nanoporo y la membrana tienen que estar muy cargados, y se necesitan múltiples nanoporos del mismo tamaño, lo que es un proceso técnicamente desafiante.

APROVECHAR EL PODER DE LA LUZ SOLAR

Los investigadores resolvieron 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 eleva la carga superficial del material. Como resultado, el nanoporo es más selectivo y el flujo de corriente aumenta.

"En conjunto, estos dos efectos significan que no tenemos que preocuparnos tanto por el tamaño de los nanoporos --explica Martina Lihter, investigadora de LBEN--. Es una buena noticia 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 usar un sistema de espejos y lentes para dirigir esta luz hacia las membranas de los estuarios de los ríos. Se utilizan sistemas similares en los colectores y concentradores solares, una tecnología ya ampliamente empleada en la energía fotovoltaica. "Esencialmente, el sistema podría generar energía osmótica día y noche --explica Michael Graf, autor principal del artículo--. La salida se duplicaría durante las horas de luz".

Los investigadores ahora continuarán su trabajo explorando posibilidades para aumentar la producción de la membrana, abordando una gama de desafíos, como la densidad óptima de poros. Todavía hay mucho trabajo por hacer antes de que se pueda utilizar la tecnología para aplicaciones del mundo real. Por ejemplo, la membrana ultrafina necesita 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 baratas de fabricar.

Esta investigación, dirigida 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 de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, en Estados Unidos.

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