Los dispositivos hidrovoltaicos pueden funcionar en una amplia gama de salinidades
La evaporación es un proceso natural tan omnipresente que la mayoría de nosotros lo damos por sentado. De hecho, aproximadamente la mitad de la energía solar que llega a la Tierra impulsa procesos de evaporación.
Desde 2017, los investigadores han estado trabajando para aprovechar el potencial energético de la evaporación a través del efecto hidrovoltaico (HV), que permite recolectar electricidad cuando el fluido pasa sobre la superficie cargada de un dispositivo a nanoescala.
La evaporación establece un flujo continuo dentro de los nanocanales dentro de estos dispositivos, que actúan como mecanismos de bombeo pasivo. Este efecto también se observa en los microcapilares de las plantas, donde el transporte de agua se produce gracias a una combinación de presión capilar y evaporación natural.
Aunque actualmente existen dispositivos hidrovoltaicos, existe muy poca comprensión funcional de las condiciones y fenómenos físicos que gobiernan la producción de energía de alta tensión a nanoescala. Es una laguna de información que Giulia Tagliabue, jefa del Laboratorio de Nanociencia para Tecnología Energética (LNET) de la Facultad de Ingeniería de la Escuela Politécnica Federal de Lausana y el estudiante de doctorafo Tarique Anwar querían ocupar.
Aprovecharon una combinación de experimentos y modelos multifísicos para caracterizar flujos de fluidos, flujos de iones y efectos electrostáticos debidos a interacciones sólido-líquido, con el objetivo de optimizar los dispositivos de alta tensión.
"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 en el proceso, también llegamos a un hallazgo importante: que los dispositivos hidrovoltaicos pueden funcionar en una amplia gama de salinidades, lo que contradice el conocimiento previo de que se necesitaba agua altamente purificada para un mejor rendimiento", dice Tagliabue.
Imagen: Dispositivo hidrovoltaico impulsado por evaporación en toda la escala de salinidad.
Un revelador modelo multifísico
El dispositivo de los investigadores representa la primera aplicación hidrovoltaica de una técnica llamada litografía coloidal de nanoesferas, que les permitió crear con precisión una red hexagonal de nanopilares de silicio espaciados. Los espacios entre los nanopilares crearon los canales perfectos para la evaporación de muestras de fluidos y podrían ajustarse con precisión para comprender mejor los efectos del confinamiento de fluidos y el área de contacto sólido/líquido.
"En la mayoría de los sistemas fluídicos que contienen soluciones salinas, hay la misma cantidad de iones positivos y negativos. Sin embargo, cuando se confina el líquido a un nanocanal, sólo quedarán iones con una polaridad opuesta a la de la carga superficial", explica Anwar. "Esto significa que si permites que el líquido fluya a través del nanocanal, generarás corriente y voltajes".
Imagen: Imagen de microscopio electrónico de barrido de los nanopilares de silicio Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA. Crédito: Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA
"Esto se remonta a nuestro principal descubrimiento de que el equilibrio químico de la carga superficial del nanodispositivo puede aprovecharse para ampliar el funcionamiento de los dispositivos hidrovoltaicos en toda la escala de salinidad", añade Tagliabue.
"De hecho, a medida que aumenta la concentración de iones en el fluido, también aumenta la carga superficial del nanodispositivo. Como resultado, podemos utilizar canales de fluido más grandes mientras trabajamos con fluidos de mayor concentración. Esto hace que sea más fácil fabricar dispositivos para usar con agua del grifo o de mar, en lugar de usar sólo agua purificada".
Imagen derecha: Esquema de un sistema HV impulsado por evaporación © Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA
Agua, agua por todas partes
Debido a que la evaporación puede ocurrir continuamente en una amplia gama de temperaturas y humedades, e incluso durante la noche, existen muchas interesantes aplicaciones potenciales para dispositivos HV más eficientes.
Los investigadores esperan explorar este potencial con el apoyo de una subvención inicial de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia, cuyo objetivo es desarrollar "un paradigma completamente nuevo para la recuperación del calor residual y la generación de energía renovable a pequeña y gran escala", incluido un módulo prototipo en condiciones reales en el lago Lemán.
Y debido a que, en teoría, los dispositivos HV podrían funcionar en cualquier lugar donde haya líquido (o incluso humedad, como sudor), también podrían usarse para alimentar sensores para dispositivos conectados, desde televisores inteligentes hasta dispositivos portátiles de salud y fitness. Con la experiencia de LNET en sistemas de recolección y almacenamiento de energía luminosa, Tagliabue también está interesado en ver cómo se podrían utilizar los efectos luminosos y fototérmicos para controlar las cargas superficiales y las tasas de evaporación en sistemas de alta tensión.
Por último, los investigadores también ven importantes sinergias entre los sistemas de alta tensión y la generación de agua limpia.
"La evaporación natural se utiliza para impulsar los procesos de desalinización, ya que se puede extraer agua dulce del agua salada condensando el vapor producido por una superficie de evaporación. Ahora, uno podría imaginarse el uso de un sistema de alta tensión para producir agua limpia y aprovechar la electricidad al mismo tiempo", explica Anwar.
El estudio LNET se ha publicado recientemente en Device: Salinity-dependent interfacial phenomena toward hydrovoltaic device optimization
