La mayoría de las energías renovables dependen de aspectos climáticos. Los parques eólicos solo pueden funcionar cuando hay el viento suficiente, y las plantas de energía solar dependen de la luz solar. Investigadores del Escuela Politécnica Federal de Lausanne (EPFL) están trabajando en un nuevo método para capturar una fuente de energía que está constantemente disponible en lo estuarios de los ríos: la energía osmótica, también conocida como energía azul. 

La ósmosis es un proceso natural por el cual las moléculas migran de una solución concentrada a una más diluida a través de una membrana semipermeable para equilibrar las concentraciones. En los estuarios de los ríos, los iones de sal cargados eléctricamente se mueven del agua salada del mar al agua fresca del río. La idea es aprovechar este fenómeno para generar energía. 

Investigadores del Laboratorio de Biología a Nanoescala de EPFL (LBEN), dirigidos por la profesora Aleksandra Radenovic de la Facultad de Ingeniería, han demostrado que la producción de energía mediantes ósmosis inversa podría optimizarse con luz. Al reproducir las condiciones que se producen en los estuarios, utilizan la luz sobre un sistema que combina agua, sal y una membrana de solo tres átomos de espesor para generar más electricidad. Bajo el efecto de la luz, el sistema produce el doble de energía que en la oscuridad. 

Iones que pasan a través de un nanoporo

SI bien en una investigación realizada en el 2016 por un equipo del LBEN se mostró por primera vez que las membranas 2D representa una potencial revolución en la producción de energía osmótica, el experimento no se realizó bajo condiciones reales. 

La adición de luz implica que la tecnología se ha acercado un paso más a una aplicación en el mundo real. El sistema involucra dos compartimientos llenos de líquido, a concentraciones de sal notablemente diferentes, separados por una membrana de disulfuro de molibdeno (MoS2). En el medio de esta membrana hay un nanoporo, un pequeño agujero de entre tres y diez nanómetros (una millonésima parte de un milimetro) de diametro. 

Cada que vez que un ión salino pasa a través del orificio desde la solución de alta concentración a la de baja concentración, se transfiere un electrón a un electrodo, que genera una corriente eléctrica. 

El potencial de generación de todo el sistema depende de una multitud de factores, entre ellos la membrana en sí, que debe ser lo suficientemente delgada como para generar la máxima corriente. El nanoporo también tiene que ser selectivo para crear una diferencia potencial (un voltaje) entre los dos líquidos, al igual que en una batería convencional. El nanoporo permite que los iones cargados positivamente pasen, mientras que empujan la mayoría de los cargados negativamente. 

El sistema está finamente equilibrado. El nanoporo y la membrana tienen que estar altamente cargados, y se necesitan múltiples nanoporos de tamaño idéntico, lo que supone un proceso desde el punto de vista técnico realmente desafiante. 

Aprovechando el poder de la luz

Los investigadores lograron solucionar estos desafíos al mismo tiempo utilizando una luz láser de baja intensidad. La luz libera electrones incrustados y hace que se acumulen en la superficie de la membrana, lo que aumenta la carga superficial del material. Como resultado, el nanoporo es más selectivo y aumenta el flujo de corriente. 

“Tomados en conjunto, estos dos efectos significan que no tenemos que preocuparnos tanto por el tamaño de los nanoporos”, explica Martina Lihter, investigadora del LBEN. “Esa es una buena noticia para la producción a gran escala de la tecnología, ya que los agujeros no tiene que ser perfectos y uniformes”.

Según los investigadores, se podría utilizar un sistema de espejos y lentes para dirigir esta luz hacia las membranas en los estuarios de los ríos. Se utilizan sistemas similares en colectores y concentradores solares, una tecnología que ya se emplea ampliamente en la energía fotovoltaica. “Esencialmente, el sistema podría generar energía osmótica día y noche”, explica Michael Graf, autor principal de la investigación. “La producción se duplicaría durante las horas del día”. 

Próximos pasos

Los investigadores ahora continuarán su trabajo explorando las posibilidades para aumentar la producción de la membrana, abordando una variedad de desafíos, como la densidad óptima de los poros. Todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que la tecnología se pueda utilizar para aplicaciones en el mundo real. Por ejemplo, la membrana ultra delgada necesita ser estabilizada mecánicamente. Esto podría hacerse utilizando una oblea de silicio que contenga una densa matriz de membranas de nitruro de silicio, que son fáciles y baratas de fabricar. 

Esta investigación dirigida por el LBEN, se lleva a cabo como parte de una colaboración entre dos laboratorios del EPFL (LANES y LBEN) e investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.