A maioria das tecnologias de energia renovável depende do clima. Os parques eólicos só podem operar quando há uma brisa, e as usinas solares dependem da luz solar. Pesquisadores da EPFL estão trabalhando em um método para capturar uma fonte de energia que está constantemente disponível em estuários de rios:energia osmótica, também conhecida como energia azul.

A osmose é um processo natural pelo qual as moléculas migram de uma solução concentrada para uma solução mais diluída através de uma membrana semipermeável, a fim de equilibrar as concentrações. Em estuários de rios, íons salgados eletricamente carregados se movem da água salgada do mar para a água doce do rio. A ideia é aproveitar esse fenômeno para gerar energia.

Pesquisadores do Laboratório de Biologia em Nanoescala da EPFL (LBEN), que é chefiado pela Professora Aleksandra Radenovic na Escola de Engenharia, mostraram que a produção de energia usando osmose pode ser otimizada usando luz. Reproduzindo as condições que ocorrem nos estuários, eles iluminaram um sistema combinando água, sal e uma membrana com apenas três átomos de espessura para gerar mais eletricidade. Sob o efeito da luz, o sistema produz duas vezes mais energia do que no escuro. Suas descobertas foram publicadas em Joule .

Em um artigo de 2016, uma equipe do LBEN mostrou pela primeira vez que as membranas 2-D representavam uma revolução potencial na produção de energia osmótica. Mas na época, o experimento não usou condições do mundo real.

Íons passando por um nanopore

A adição de luz significa que a tecnologia deu um passo mais perto da aplicação no mundo real. O sistema envolve dois compartimentos cheios de líquido, em concentrações de sal marcadamente diferentes, separados por uma membrana de dissulfeto de molibdênio (MoS2). No meio da membrana está um nanoporo - um minúsculo orifício entre três e dez nanômetros (um milionésimo de milímetro) de diâmetro.

Cada vez que um íon de sal passa pelo orifício da solução de alta para a de baixa concentração, um elétron é transferido para um eletrodo, que gera uma corrente elétrica.

O potencial de geração de energia do sistema depende de uma série de fatores - não menos importante, da própria membrana, que precisa ser fino para gerar corrente máxima. O nanoporo também deve ser seletivo para criar uma diferença de potencial (uma voltagem) entre os dois líquidos, assim como em uma bateria convencional. O nanopore permite que íons carregados positivamente passem, enquanto afasta a maioria dos carregados negativamente.

O sistema é perfeitamente equilibrado. O nanopore e a membrana devem ser altamente carregados, e vários nanoporos de tamanho idêntico são necessários, que é um processo tecnicamente desafiador.

Aproveitando o poder da luz solar

Os pesquisadores contornaram esses dois problemas ao mesmo tempo, usando luz laser de baixa intensidade. A luz libera elétrons embutidos e faz com que eles se acumulem na superfície da membrana, o que aumenta a carga superficial do material. Como resultado, o nanopore é mais seletivo e o fluxo de corrente aumenta.

"Tomados em conjunto, esses dois efeitos significam que não precisamos nos preocupar tanto com o tamanho dos nanoporos, "explica Martina Lihter, pesquisador do LBEN. "Isso é uma boa notícia para a produção em larga escala da tecnologia, já que os furos não precisam ser perfeitos e uniformes. "

De acordo com os pesquisadores, um sistema de espelhos e lentes poderia ser usado para direcionar essa luz para as membranas dos estuários dos rios. Sistemas semelhantes são usados ​​em coletores e concentradores solares - uma tecnologia já amplamente empregada em fotovoltaicos. "Essencialmente, o sistema pode gerar energia osmótica dia e noite, "explica Michael Graf, o autor principal do artigo. "A produção dobraria durante o dia."

Próxima Etapa

Os pesquisadores vão agora prosseguir com o seu trabalho explorando as possibilidades de aumentar a produção da membrana, abordando uma série de desafios, como densidade de poro ideal. Ainda há muito trabalho a ser feito antes que a tecnologia possa ser usada para aplicações do mundo real. Por exemplo, a membrana ultrafina precisa ser estabilizada mecanicamente. Isso poderia ser feito usando uma pastilha de silício contendo uma matriz densa de membranas de nitreto de silício, que são fáceis e baratos de fabricar.

Essa pesquisa, liderado por LBEN, está sendo conduzido como parte de uma colaboração entre dois laboratórios EPFL (LANES e LBEN) e pesquisadores do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

Em 2016, pesquisadores do LBEN relataram que, pela primeira vez, eles haviam produzido poder osmótico através de membranas 2-D medindo apenas três átomos de espessura. O experimento foi uma demonstração importante de que os nanomateriais podem de fato representar uma revolução neste domínio, com aplicação direta prevista para energias renováveis ​​e pequenas, fontes portáteis de energia.

No momento, para alcançar alta geração de energia, os pesquisadores tiveram que operar em um ambiente alcalino, com níveis elevados de pH que estão longe dos valores encontrados em estuários. O pH alto foi necessário para aumentar a carga superficial do MoS2 e para melhorar a potência osmótica.

Desta vez, em vez de usar tratamentos químicos, os pesquisadores descobriram que a luz pode desempenhar esse papel, permitindo que operem em condições do mundo real.