Los nanodispositivos generan energía a partir de la evaporación del agua del grifo y del agua de mar

Los investigadores de la EPFL han descubierto que los nanodispositivos que explotan el efecto hidroeléctrico pueden recolectar electricidad a partir de la evaporación de líquidos con concentraciones iónicas más altas que el agua pura, revelando un enorme potencial energético sin explotar.

La evaporación es un proceso natural tan omnipresente que la mayoría de nosotros lo damos por sentado. De hecho, casi la mitad de la energía solar que llega a la Tierra resulta en evaporación. Desde 2017, los investigadores han estado trabajando para aprovechar el potencial energético de la evaporación a través del efecto hidrovoltaico (HV), que permite recolectar electricidad cuando un líquido pasa sobre la superficie cargada de un nanodispositivo. La evaporación crea un flujo continuo dentro de los nanocanales dentro de estos dispositivos, que actúan como mecanismos de bombeo pasivo. Este efecto también se observa en los diminutos capilares de las plantas, donde la transferencia de agua se produce gracias a una combinación de presión capilar y evaporación natural.

Aunque actualmente existen dispositivos hidroeléctricos, hay muy poca comprensión funcional de las condiciones físicas y los fenómenos que gobiernan la producción de energía de alto voltaje a nanoescala. Es una brecha de información, dice Giulia Tagliabue, directora del Laboratorio de Nanociencia de Tecnología Energética (L.Net) en la Facultad de Ingeniería, y el estudiante de doctorado Tariq Anwar quería ocupar ese puesto. Han aprovechado una combinación de experimentos y modelización multifísica para caracterizar flujos de fluidos, flujos de iones y efectos electrostáticos resultantes de interacciones sólido-líquido, con el objetivo de mejorar los dispositivos de alto voltaje.

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«Gracias a nuestra nueva plataforma altamente controlada, este es el primer estudio que cuantifica estos fenómenos fotovoltaicos destacando la importancia de diferentes interacciones interfaciales. Pero en el proceso, también llegamos a un hallazgo clave: que los dispositivos fotovoltaicos pueden funcionar a gran escala «Amplia gama de salinidad, lo que contradice el entendimiento previo de que se requiere agua de alta pureza para un mejor rendimiento», dice Tagliabue.

El estudio LNET ha Publicado recientemente En un dispositivo de prensa de cargador celular.

Esquema de un sistema de alto voltaje impulsado por evaporación © Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA

Un modelo de detector multifísico.

El dispositivo de los investigadores representa la primera aplicación hidroeléctrica de una técnica llamada litografía de nanoesferas coloidales, que les permitió crear una red hexagonal de nanopilares de silicio espaciados con precisión. El espacio entre los nanopilares creó canales ideales para la evaporación de muestras líquidas y se puede ajustar con precisión para comprender mejor los efectos del confinamiento de líquidos y el área de contacto sólido/líquido.

«En la mayoría de los sistemas de fluidos que contienen soluciones salinas, hay el mismo número de iones positivos y negativos. Sin embargo, cuando se confina el fluido a un nanocanal, sólo quedarán iones con polaridad opuesta a la carga superficial», explica Anwar. «Esto significa que si permites que el líquido fluya a través del nanocanal, generarás una corriente y un voltaje».

«Esto se debe a nuestro descubrimiento clave de que el equilibrio químico de la carga superficial del nanodispositivo puede aprovecharse para ampliar el funcionamiento de dispositivos hidroeléctricos mediante un salinómetro», añade Tagliabue. «De hecho, a medida que aumenta la concentración de iones líquidos, también aumenta la carga superficial del nanodispositivo. Como resultado, podemos usar canales de fluido más grandes mientras trabajamos con líquidos de mayor concentración. Esto hace que sea más fácil fabricar dispositivos para usar con agua del grifo o Agua de mar.» «A diferencia del agua pura».

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Imagen de microscopio electrónico de barrido de nanobarras de silicio © Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA

Agua, agua por todas partes

Debido a que la evaporación puede ocurrir continuamente en una amplia gama de temperaturas y humedad, e incluso durante la noche, existen muchas aplicaciones potenciales interesantes para dispositivos de alto voltaje más eficientes. Los investigadores esperan explorar esta posibilidad con el apoyo de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia. Iniciar la becacuyo objetivo es desarrollar “un paradigma completamente nuevo para la recuperación del calor residual y la generación de energía renovable a pequeña y gran escala”, incluido un prototipo en condiciones reales en el lago Lemán.

Y dado que, en teoría, los dispositivos de alto voltaje pueden funcionar en cualquier lugar donde haya líquido (o incluso humedad, como sudor), también podrían usarse para alimentar sensores para dispositivos conectados, desde televisores inteligentes hasta dispositivos portátiles de salud y fitness. Gracias a la experiencia de LNET en sistemas de recolección y almacenamiento de energía fotovoltaica, Tagliabue también está interesado en aprender cómo se pueden utilizar los efectos de la luz y la fototermia para controlar las cargas superficiales y las tasas de evaporación en sistemas de alto voltaje.

Por último, los investigadores también ven importantes sinergias entre los sistemas de alto voltaje y la generación de agua limpia.

«La evaporación natural se utiliza para impulsar procesos de desalinización, donde se puede recolectar agua dulce a partir de agua salada condensando el vapor generado por la superficie de evaporación. Ahora, puedes imaginarte usar un sistema de alto voltaje para producir agua limpia y aprovechar la electricidad al mismo tiempo». tiempo”, explica Anwar.

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