A evaporação é um processo natural tão onipresente que a maioria de nós considera isso um dado adquirido. Na verdade, cerca de metade da energia solar que chega à Terra impulsiona processos evaporativos. Desde 2017, os investigadores têm trabalhado para aproveitar o potencial energético da evaporação através do efeito hidrovoltaico (HV), que permite a recolha de eletricidade quando o fluido passa sobre a superfície carregada de um dispositivo em nanoescala.



A evaporação estabelece um fluxo contínuo dentro dos nanocanais dentro desses dispositivos, que atuam como mecanismos de bombeamento passivos. Este efeito também é observado nos microcapilares das plantas, onde o transporte de água ocorre graças a uma combinação de pressão capilar e evaporação natural.

Embora existam atualmente dispositivos hidrovoltaicos, há muito pouca compreensão funcional das condições e fenômenos físicos que governam a produção de energia de alta tensão em nanoescala. É uma lacuna de informação que Giulia Tagliabue, chefe do Laboratório de Nanociência para Tecnologia Energética (LNET) da Escola de Engenharia e Ph.D. o estudante Tarique Anwar queria preencher.

Eles aproveitaram uma combinação de experimentos e modelagem multifísica para caracterizar fluxos de fluidos, fluxos de íons e efeitos eletrostáticos devido a interações sólido-líquido, com o objetivo de otimizar dispositivos de alta tensão.

"Graças à nossa nova plataforma altamente controlada, este é o primeiro estudo que quantifica esses fenômenos hidrovoltaicos, destacando a importância de várias interações interfaciais. Mas, no processo, também fizemos uma descoberta importante:que os dispositivos hidrovoltaicos podem operar em uma ampla faixa de salinidades, contradizendo o entendimento anterior de que era necessária água altamente purificada para obter o melhor desempenho", diz Tagliabue.

O estudo LNET foi publicado recentemente em Device .

Um modelo multifísico revelador

O dispositivo dos pesquisadores representa a primeira aplicação hidrovoltaica de uma técnica chamada litografia coloidal de nanoesferas, que lhes permitiu criar uma rede hexagonal de nanopilares de silício espaçados com precisão. Os espaços entre os nanopilares criaram os canais perfeitos para a evaporação de amostras de fluidos e puderam ser ajustados para compreender melhor os efeitos do confinamento de fluidos e da área de contato sólido/líquido.

"Na maioria dos sistemas fluídicos contendo soluções salinas, você tem um número igual de íons positivos e negativos. No entanto, quando você confina o líquido a um nanocanal, apenas os íons com polaridade oposta à da carga superficial permanecerão", explica Anwar. "Isso significa que se você permitir que o líquido flua através do nanocanal, você gerará correntes e tensões."

“Isso remonta à nossa principal descoberta de que o equilíbrio químico da carga superficial do nanodispositivo pode ser explorado para estender a operação de dispositivos hidrovoltaicos em toda a escala de salinidade”, acrescenta Tagliabue.

"Na verdade, à medida que a concentração de íons fluidos aumenta, também aumenta a carga superficial do nanodispositivo. Como resultado, podemos usar canais de fluido maiores enquanto trabalhamos com fluidos de maior concentração. Isso torna mais fácil a fabricação de dispositivos para uso com água da torneira ou do mar , em oposição apenas à água purificada."

Água, água em todo lugar

Como a evaporação pode ocorrer continuamente em uma ampla faixa de temperaturas e umidades – e até mesmo à noite – há muitas aplicações potenciais interessantes para dispositivos de alta tensão mais eficientes.

Os investigadores esperam explorar este potencial com o apoio de uma bolsa inicial da Swiss National Science Foundation, que visa desenvolver "um paradigma completamente novo para a recuperação de calor residual e geração de energia renovável em grande e pequena escala", incluindo um módulo protótipo sob condições reais. -condições mundiais no Lago Genebra.

E como os dispositivos de alta tensão poderiam, teoricamente, ser operados em qualquer lugar onde exista líquido – ou mesmo umidade, como suor – eles também poderiam ser usados ​​para alimentar sensores para dispositivos conectados, desde TVs inteligentes até dispositivos vestíveis de saúde e fitness. Com a experiência da LNET em sistemas de captação e armazenamento de energia luminosa, Tagliabue também está interessado em ver como a luz e os efeitos fototérmicos poderiam ser usados ​​para controlar as cargas superficiais e as taxas de evaporação em sistemas de alta tensão.

Finalmente, os pesquisadores também veem sinergias importantes entre os sistemas de alta tensão e a geração de água limpa.

"A evaporação natural é usada para impulsionar processos de dessalinização, já que a água doce pode ser colhida da água salgada condensando o vapor produzido por uma superfície evaporativa. Agora, você poderia imaginar usar um sistema HV para produzir água limpa e aproveitar eletricidade ao mesmo tempo, "Anwar explica.

Mais informações: Tarique Anwar et al, Fenômenos interfaciais dependentes de salinidade para otimização de dispositivos hidrovoltaicos, Dispositivo (2024). DOI:10.1016/j.device.2024.100287
Informações do diário: Dispositivo

Fornecido pela École Polytechnique Federale de Lausanne