La energía osmótica, a menudo denominada energía azul, es un método emergente para generar electricidad renovable aprovechando la mezcla natural de agua salada y agua dulce. Cuando estos dos tipos de agua se encuentran, los iones del agua salada se mueven a través de una membrana selectiva de iones especial hacia el agua de baja salinidad. Este movimiento crea un voltaje que puede capturarse como electricidad.
A pesar de su potencial, la tecnología enfrenta importantes obstáculos. Las membranas diseñadas para permitir que los iones pasen rápidamente a menudo pierden su capacidad de separar cargas de manera efectiva. Además, la estabilidad estructural ha resultado difícil de mantener. Debido a estas limitaciones, la mayoría de los sistemas de energía osmótica se limitan en gran medida a pruebas de laboratorio.
Los nanoporos recubiertos de lípidos mejoran el flujo de iones
Los científicos del Laboratorio de Biología a Nanoescala (LBEN), dirigidos por Aleksandra Radenovic de la Escuela de Ingeniería de la EPFL, junto con investigadores del Centro Interdisciplinario de Microscopía Electrónica (CIME) han mostrado ahora una solución a este problema. Sus hallazgos fueron publicados poder de la naturaleza.
El equipo mejoró el movimiento de los iones recubriendo el nanoporo con pequeñas burbujas de lípidos conocidas como liposomas. En condiciones normales, estos nanoporos permiten el paso de iones con alta precisión pero a velocidades muy lentas. Cuando se recubren con una capa lipídica, los nanoporos permiten que los iones seleccionados pasen más fácilmente. La reducción de la fricción aumenta significativamente el transporte de iones y mejora el rendimiento general del sistema.
“Nuestro trabajo combina los puntos fuertes de dos métodos principales de recolección de energía osmótica: membranas poliméricas, que inspiran nuestra arquitectura de alta porosidad; y dispositivos nanofluídicos, que utilizamos para definir nanoporos altamente cargados”, dijo Radenovic. “Al combinar un diseño de membrana escalable con canales de nanofluidos diseñados con precisión, logramos una conversión de energía osmótica altamente eficiente y abrimos una ruta hacia sistemas de energía azul basados en nanofluidos”.
Lubricación por hidratación dentro de nanoporos.
El recubrimiento lubricante utilizado en el estudio se basa en bicapas lipídicas, que se encuentran comúnmente en las membranas de las células vivas. Estas bicapas se ensamblan naturalmente cuando las dos capas de moléculas de grasa se alinean con sus colas repelentes de agua (hidrófobas) hacia adentro y sus cabezas que atraen agua (hidrófilas) hacia afuera.
Cuando se aplica a nanoporos en forma de estalactita incrustados en una membrana de nitruro de silicio, las cabezas hidrófilas hacia afuera atraen una capa extremadamente delgada de agua. Esta capa de agua tiene sólo unas pocas moléculas de espesor, pero se adhiere a la superficie del nanoporo y evita que los iones interactúen directamente con él. Como resultado, se reduce la fricción y los iones pueden pasar más suavemente a través de los poros.
Mayor potencia de salida de Blue Energy
Para probar el diseño, los investigadores crearon una membrana que contenía 1.000 nanoporos recubiertos de lípidos dispuestos en un patrón hexagonal. Luego evaluaron el dispositivo en condiciones que imitan las concentraciones naturales de sal donde se encuentran el agua de mar y el agua de río.
El sistema alcanzó una densidad de potencia de unos 15 vatios por metro cuadrado. Esta producción es entre 2 y 3 veces mayor que la que pueden producir las tecnologías actuales de membranas poliméricas.
Un paso hacia sistemas prácticos de energía azul
Simulaciones por computadora anteriores sugirieron que mejorar tanto el flujo de iones como la selectividad en los canales de nanofluidos podría aumentar drásticamente la producción de energía osmótica. Sin embargo, son raros los ensayos que muestran ambas mejoras al mismo tiempo.
“Al mostrar cómo el control preciso sobre la geometría de los nanoporos y las propiedades de la superficie puede remodelar fundamentalmente el transporte de iones, nuestro estudio lleva la investigación de la energía azul más allá de las pruebas de rendimiento y hacia una verdadera era del diseño”, dijo el investigador de LBEN, Tzu-Heng Chen.
El primer autor, Yunfei Teng, señala que la técnica de “lubricación por hidratación” del equipo puede tener aplicaciones más allá de los sistemas de energía osmótica. “El comportamiento de transporte mejorado que observamos, impulsado por la lubricación por hidratación, es universal, y el mismo principio puede extenderse más allá de los dispositivos de energía azul”, afirma.
Instalaciones avanzadas de imágenes e investigación.
El proyecto también se basa en un análisis detallado de la estructura de los nanoporos y la composición química. Este trabajo fue realizado por el Dr. Víctor Boro del Centro Interdisciplinario de Microscopía Electrónica (CIME) de la EPFL. El apoyo adicional provino de las instalaciones de investigación compartidas de la EPFL para nanofabricación, caracterización de materiales e informática de alto rendimiento, incluidas CMi, MHMC y SCITAS.
