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Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) Los científicos han descubierto que los dispositivos a nanoescala que aprovechan el efecto hidroeléctrico pueden generar electricidad cuando el agua vaporiza líquidos con concentraciones de iones más altas que el agua purificada. Este descubrimiento revela un enorme potencial energético sin explotar.
La evaporación es un proceso natural tan común que la mayoría de nosotros pasamos por alto su importancia. Sorprendentemente, aproximadamente la mitad de la energía solar que llega a la Tierra provoca evaporación.
Desde 2017, los científicos investigan la posibilidad de aprovechar el potencial energético de la evaporación mediante el efecto hidrovoltaico (efecto HV). Este efecto permite generar electricidad cuando un líquido fluye sobre la superficie cargada de un sistema a nanoescala.
La evaporación crea un flujo continuo en los nanocanales de estos dispositivos, que actúan esencialmente como mecanismos de bombeo pasivo. Este fenómeno refleja lo que sucede en los microcapilares de las plantas, donde el transporte de agua se ve facilitado por una combinación de presión capilar y evaporación natural.
Si bien ya existen dispositivos hidrovoltaicos, la comprensión de las circunstancias y los fenómenos físicos que gobiernan la producción de energía de alta tensión a escala nanométrica es limitada.
Giulia Tagliabue, jefa del Laboratorio de Nanociencia para Tecnología Energética (LNET) de la Facultad de Ingeniería, y el estudiante de doctorado Tarique Anwar reconocieron esta brecha y trataron de cerrarla. Utilizaron una combinación de modelos y experimentos multifísicos para analizar corrientes iónicas, flujos de líquidos y efectos electrostáticos resultantes de interacciones sólido-líquido. Su objetivo era optimizar los dispositivos HV.
Gracias a nuestra novedosa plataforma altamente controlada, este es el primer estudio que cuantifica estos fenómenos hidrovoltaicos destacando la importancia de varias interacciones interfaciales. Pero también llegamos a una conclusión importante: que los dispositivos hidrovoltaicos pueden funcionar en una amplia gama de contenidos de sal, lo que contradice el hallazgo anterior de que se requiere agua de alta pureza para un mejor rendimiento.
Giulia Tagliabue, Jefa del Laboratorio de Nanociencia de Tecnología Energética, Facultad de Ingeniería, EPFL
Los detalles de este estudio fueron publicados en la revista Cell Press. Dispositivo.
Un modelo multifísico revelador
El dispositivo desarrollado por los investigadores representa la primera aplicación en alta tensión de un método conocido como litografía coloidal de nanoesferas, que permite la creación de una red hexagonal de nanopilares de silicio espaciados con precisión. Los espacios entre estos nanopilares forman canales ideales para la evaporación de muestras líquidas. Es importante destacar que esta configuración se puede optimizar con precisión para obtener una comprensión más profunda de los efectos del atrapamiento de líquidos y el área de contacto sólido-líquido.
En la mayoría de los sistemas fluidos que contienen soluciones salinas, hay un número igual de iones positivos y negativos. Sin embargo, si confinas el líquido a un nanocanal, solo quedan iones con una polaridad opuesta a la carga superficial.. Esto significa que cuando dejas que el líquido fluya a través del nanocanal, generas corriente y voltaje.
Tarique Anwar, Ph.D. Estudiante, EPFL
Tagliabue añadió: “Esto se debe a nuestro hallazgo clave de que el equilibrio químico de la carga superficial del nanodispositivo puede aprovecharse para extender el funcionamiento de los dispositivos hidrovoltaicos en toda la escala de salinidad. De hecho, a medida que aumenta la concentración iónica del líquido, también aumenta la carga superficial del nanodispositivo. Esto nos permite utilizar canales de fluido más grandes cuando trabajamos con fluidos más concentrados. Esto hace que sea más fácil producir dispositivos para usar con agua del grifo o de mar en lugar de solo agua purificada”.
Agua, agua por todas partes
Debido a que la evaporación puede ocurrir continuamente en un amplio rango de humedad y temperatura, incluso durante la noche, ofrece numerosas aplicaciones potenciales estimulantes para dispositivos HV más eficientes.
Los científicos quieren investigar y desarrollar este potencial con la ayuda de una subvención inicial de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia. “un paradigma completamente nuevo para la recuperación del calor residual y la generación de energía renovable a gran y pequeña escala«,» incluido un módulo de ejemplo en condiciones cotidianas en el lago Lemán.
Además, dado que, en teoría, los dispositivos HV podrían funcionar en cualquier lugar donde haya líquido o incluso humedad, como el sudor, podrían usarse para controlar sensores para dispositivos conectados, desde dispositivos portátiles de salud y fitness hasta dispositivos inteligentes: televisores.
Aprovechando la experiencia de LNET en sistemas de recolección y almacenamiento de energía luminosa, Tagliabue también está interesado en estudiar cómo se podrían utilizar los efectos luminosos y fototérmicos para manipular las cargas superficiales y las tasas de evaporación en dispositivos de alta tensión.
Por último, el equipo también ve importantes sinergias entre los dispositivos de alta tensión y la producción de agua limpia.
Anwar concluyó: “La evaporación natural se utiliza para impulsar los procesos de desalinización porque se puede obtener agua dulce del agua salada condensando el vapor producido por una superficie de evaporación. Ahora se podría imaginar utilizar un sistema HV para producir agua limpia y generar electricidad al mismo tiempo”.
Referencia de la revista:
Anwar, T. & Tagliabue, G. (2024) Fenómenos de interfaz dependientes de la salinidad para optimizar dispositivos hidrovoltaicos. Dispositivo. doi:10.1016/j.device.2024.100287.
Fuente: https://actu.epfl.ch
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