Producción de electricidad en estuarios utilizando luz y ósmosis

La mayoría de las tecnologías de energía renovable dependen del clima. Los parques eólicos sólo pueden funcionar cuando hay brisa y las plantas de energía solar dependen de la luz solar. Los investigadores de la EPFL están trabajando en un método para capturar una fuente de energía que está constantemente disponible en los estuarios de los ríos: la energía osmótica, también conocida como energía azul.

La ósmosis es un proceso natural por el cual las moléculas migran de una solución concentrada a una más diluida a través de una membrana semipermeable con el fin de equilibrar las concentraciones. En los estuarios de los ríos, los iones de sal cargados eléctricamente se mueven desde el agua de mar salada hasta el agua dulce del río. La idea es aprovechar este fenómeno para generar energía.

Investigadores del Laboratorio de Biología a Nanoescala (LBEN) de la EPFL, dirigido por la profesora Aleksandra Radenovic de la Escuela de Ingeniería, han demostrado que la producción de energía mediante ósmosis podría optimizarse con la luz. Reproduciendo las condiciones que se dan en los estuarios, iluminaron un sistema que combina agua, sal y una membrana de sólo 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. Sus hallazgos han sido publicados en Joule.

En un artículo de 2016, un equipo del LBEN mostró por primera vez que las membranas 2D representan una revolución potencial en la producción de energía osmótica. Pero en ese momento, el experimento no utilizó condiciones del mundo real (ver recuadro).

Iones que pasan a través de 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 consta de dos compartimentos llenos de líquido, a concentraciones de sal marcadamente diferentes, separados por una membrana de disulfuro de molibdeno (MoS2). En el centro de la membrana hay un nanoporo, un pequeño agujero de entre tres y diez nanómetros (una millonésima parte de un milímetro) de diámetro.

Cada vez que un ión de sal pasa a través del agujero de la solución de alta a baja concentración, un electrón es transferido a un electrodo, el cual genera una corriente eléctrica.

El potencial de generación de energía del sistema depende de una serie de factores, entre los que destaca la propia membrana, 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, como en una batería convencional. El nanoporo permite que los iones con carga positiva pasen a través de él, al tiempo que aleja la mayoría de los que tienen carga negativa.

El sistema está bien equilibrado. El nanoporo y la membrana tienen que estar muy cargados, y se necesitan múltiples nanoporos de tamaño idéntico, lo cual es un proceso técnicamente difícil.

Aprovechar el poder de la luz solar

Los investigadores evitaron estos dos problemas al mismo tiempo usando luz láser de baja intensidad. La luz libera electrones incrustados y hace que se acumulen en la superficie de la membrana, lo que aumenta 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 del LBEN. «Esa 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 utilizar un sistema de espejos y lentes para dirigir esta luz hacia las membranas de los estuarios de los ríos. Sistemas similares se utilizan en colectores y concentradores solares, una tecnología que ya se utiliza ampliamente en la fotovoltaica. «Esencialmente, el sistema podría generar energía osmótica día y noche», explica Michael Graf, el autor principal del artículo. «La producción se duplicaría durante las horas de luz del día».

Siguiente paso

Los investigadores continuarán su trabajo explorando las posibilidades de aumentar la producción de la membrana, abordando una serie de retos como la densidad de poros óptima. Todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que la tecnología pueda ser utilizada para aplicaciones del mundo real. Por ejemplo, la membrana ultrafina necesita ser estabilizada mecánicamente. Esto podría hacerse utilizando una oblea de silicio que contenga un conjunto denso de membranas de nitruro de silicio, que son fáciles y baratas de fabricar.

Esta investigación, liderada por LBEN, se lleva a cabo como parte de una colaboración entre dos laboratorios de la EPFL (LANES y LBEN) e investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.

Antecedentes

En 2016, los investigadores del LBEN informaron que, por primera vez, habían producido energía osmótica a través de membranas 2D de sólo tres átomos de espesor. El experimento fue una demostración importante de que los nanomateriales pueden representar una revolución en este campo, con una aplicación directa prevista para las energías renovables y las fuentes de energía pequeñas y portátiles.

En ese momento, para lograr una alta generación de energía, los investigadores tuvieron que operar en un ambiente alcalino, con altos niveles de pH que están lejos de los valores encontrados en los estuarios. Se requería un pH alto para aumentar la carga superficial del MoS2 y para mejorar la potencia osmótica.

Esta vez, en lugar de usar tratamientos químicos, los investigadores descubrieron que la luz podría jugar ese papel, permitiéndoles operar en condiciones del mundo real.