Produzione di energia elettrica negli estuari

Produzione di energia elettrica negli estuari

I ricercatori dell'EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) stanno lavorando a un metodo per catturare una fonte di energia costantemente disponibile negli estuari dei fiumi: il potere osmotico, noto anche come energia blu.

La maggior parte delle tecnologie per produrre energia rinnovabile dipendono dalle condizioni meteorologiche. I parchi eolici possono funzionare solo quando c'è il vento mentre le centrali solari producono energia dalla luce del sole.

L'osmosi è un processo naturale attraverso il quale le molecole migrano, da una soluzione concentrata a una più diluita, attraverso una membrana semi-permeabile al fine di bilanciare le concentrazioni. Negli estuari dei fiumi, gli ioni di sale caricati elettricamente si spostano dall'acqua salata del mare all'acqua del fiume fresca. L'idea è di sfruttare questo fenomeno per generare energia.

Ricercatori del Laboratorio di biologia nanometrica (LBEN) EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), diretti dalla professoressa Aleksandra Radenovic (1) presso la School of Engineering, hanno dimostrato che la produzione di energia, mediante l'osmosi, potrebbe essere ottimizzata utilizzando la luce. Riproducendo le condizioni che si verificano negli estuari, hanno proiettato la luce su un sistema che combina acqua, sale e una membrana di soli tre atomi per generare più elettricità. Sotto l'effetto della luce, il sistema produce il doppio della potenza. Le loro scoperte sono state pubblicate su Joule. (2)

Il sistema coinvolge due compartimenti pieni di liquido, a concentrazioni di sale marcatamente differenti, separati da una membrana di solfuro di molibdeno (MoS2). Nel mezzo della membrana si trova un nanoporo, un piccolo foro compreso tra tre e dieci nanometri (un milionesimo di millimetro) di diametro.

Ogni volta che uno ione sale e passa attraverso il foro dalla soluzione ad alta e bassa concentrazione, un elettrone viene trasferito su un elettrodo, che genera una corrente elettrica.

Il potenziale di generazione di energia del sistema dipende da una serie di fattori, non ultima la membrana stessa, che deve essere sottile per generare corrente massima. Il nanoporo deve anche essere selettivo per creare una differenza di potenziale (una tensione) tra i due liquidi, proprio come in una batteria convenzionale. Il nanoporo consente il transito degli ioni caricati positivamente nel momento in cui spinge via la maggior parte degli ioni con carica negativa.

Il sistema è finemente bilanciato. Il nanoporo e la membrana devono essere altamente carichi e sono necessari più nanopori di dimensioni identiche, un processo tecnicamente impegnativo.

I ricercatori hanno aggirato questi due problemi allo stesso tempo usando la luce laser a bassa intensità. La luce rilascia elettroni incorporati e li fa accumulare sulla superficie della membrana, il che aumenta la carica superficiale del materiale. Di conseguenza, il nanoporo è più selettivo e il flusso di corrente aumenta.

"Nel loro insieme, questi due effetti significano che non dobbiamo preoccuparci tanto delle dimensioni dei nanopori", spiega la dottoressa Martina Lihter, (3) una ricercatrice del LBEN. "Questa è una buona notizia per la produzione su larga scala della tecnologia, dal momento che i buchi non devono essere perfetti e uniformi."

Secondo i ricercatori, un sistema di specchi e lenti potrebbe essere usato per dirigere questa luce sulle membrane degli estuari del fiume. Sistemi simili sono utilizzati in collettori solari e concentratori - una tecnologia già ampiamente utilizzata nel fotovoltaico. "Essenzialmente, il sistema potrebbe generare energia osmotica giorno e notte", spiega il dottor Michael Graf, (4) l'autore principale del documento. "La produzione raddoppierà durante le ore diurne".

I ricercatori continueranno la ricerca con l'obiettivo di aumentare la produzione della membrana, affrontando una serie di sfide come la densità ottimale dei pori. C'è ancora molto lavoro da fare prima che la tecnologia possa essere utilizzata per applicazioni reali. Ad esempio, la membrana ultrasottile deve essere meccanicamente stabilizzata. Ciò potrebbe essere attuato usando un wafer di silicio contenente una matrice densa di membrane di nitruro di silicio, che sono facili ed economiche da produrre.

Questa ricerca, condotta da LBEN, è frutto di una collaborazione tra due laboratori EPFL (LANES e LBEN) con la collaborazione di ricercatori del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign.

Nel 2016, i ricercatori della LBEN hanno riferito che, per la prima volta, avevano prodotto energia osmotica attraverso membrane 2D che misuravano solo tre atomi di spessore. L'esperimento è stato una dimostrazione importante del fatto che i nanomateriali potrebbero effettivamente rappresentare una rivoluzione in questo campo, con l'applicazione diretta prevista per le energie rinnovabili e le piccole fonti di energia portatili. A quel tempo, per ottenere un'alta generazione di energia, i ricercatori dovevano operare in un ambiente alcalino, con livelli di pH elevati che sono lontani dai valori trovati negli estuari. Era necessario un pH elevato per aumentare la carica superficiale del MoS2 e migliorare la potenza osmotica. Questa volta, invece di usare trattamenti chimici, i ricercatori hanno scoperto che la luce poteva svolgere quel ruolo, consentendo loro di operare in condizioni reali.

Riferimenti:

(1) Aleksandra Radenovic

(2) Producing electricity at estuaries using light and osmosis

(3) Martina Lihter

(4) Michael Graf

Descrizione foto: In un esperimento di laboratorio, gli scienziati dell'EPFL hanno riprodotto le condizioni del mondo reale in cui i fiumi incontrano il mare (pH e concentrazione di sale) e hanno dimostrato che, facendo brillare la luce su un sistema comprendente sale, acqua e una membrana di tre atomi, è stato possibile ottimizzare la produzione di elettricità.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Producing electricity at estuaries using light and osmosis

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