La maggior parte delle tecnologie per l'energia rinnovabile dipende dalle condizioni meteorologiche. I parchi eolici possono funzionare solo quando c'è una brezza, e le centrali solari dipendono dalla luce solare. I ricercatori dell'EPFL stanno lavorando a un metodo per catturare una fonte di energia che è costantemente disponibile negli estuari dei fiumi:energia osmotica, noto anche come energia blu.

L'osmosi è un processo naturale per cui le molecole migrano da una soluzione concentrata a una più diluita attraverso una membrana semipermeabile per bilanciare le concentrazioni. Agli estuari dei fiumi, gli ioni di sale caricati elettricamente si spostano dall'acqua salata del mare all'acqua dolce del fiume. L'idea è di sfruttare questo fenomeno per generare energia.

Ricercatori del Laboratorio di biologia su nanoscala dell'EPFL (LBEN), che è diretto dalla Professoressa Aleksandra Radenovic presso la Facoltà di Ingegneria, hanno dimostrato che la produzione di energia tramite osmosi potrebbe essere ottimizzata utilizzando la luce. Riproducendo le condizioni che si verificano negli estuari, hanno fatto luce su un sistema che combina l'acqua, sale e una membrana spessa appena tre atomi per generare più elettricità. Sotto l'effetto della luce, il sistema produce il doppio dell'energia che produce al buio. I loro risultati sono stati pubblicati in Joule .

In un documento del 2016, un team della LBEN ha mostrato per la prima volta che le membrane 2-D rappresentano una potenziale rivoluzione nella produzione di energia osmotica. Ma all'epoca, l'esperimento non ha utilizzato condizioni del mondo reale.

Ioni che passano attraverso un nanoporo

L'aggiunta della luce significa che la tecnologia si è avvicinata di un passo all'applicazione nel mondo reale. Il sistema prevede due compartimenti pieni di liquido, a concentrazioni di sale notevolmente diverse, separato da una membrana di bisolfuro di molibdeno (MoS2). Al centro della membrana c'è un nanoporo, un minuscolo foro di diametro compreso tra tre e dieci nanometri (un milionesimo di millimetro).

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

Il potenziale di generazione di energia del sistema dipende da una serie di fattori, non ultimo la membrana stessa, che deve essere sottile per generare la massima corrente. Il nanoporo deve anche essere selettivo per creare una differenza di potenziale (un voltaggio) tra i due liquidi, proprio come in una batteria convenzionale. Il nanoporo consente il passaggio di ioni carichi positivamente, mentre respinge la maggior parte di quelli caricati negativamente.

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

Sfruttare il potere della luce solare

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

"Presi insieme, questi due effetti significano che non dobbiamo preoccuparci così tanto delle dimensioni dei nanopori, " spiega Martina Lihter, un ricercatore presso la LBEN. "Questa è una buona notizia per la produzione su larga scala della tecnologia, poiché i fori non devono essere perfetti e uniformi."

Secondo i ricercatori, un sistema di specchi e lenti potrebbe essere utilizzato per dirigere questa luce sulle membrane degli estuari dei fiumi. Sistemi simili sono utilizzati nei collettori solari e nei concentratori, una tecnologia già ampiamente impiegata nel fotovoltaico. "Essenzialmente, il sistema potrebbe generare energia osmotica giorno e notte, " spiega Michael Graf, l'autore principale dell'articolo. "La produzione raddoppierebbe durante le ore diurne."

Passo successivo

I ricercatori ora proseguiranno il loro lavoro esplorando le possibilità di aumentare la produzione della membrana, affrontare 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 stabilizzata meccanicamente. Questo potrebbe essere fatto utilizzando un wafer di silicio contenente una fitta serie di membrane di nitruro di silicio, che sono facili ed economici da produrre.

Questa ricerca, guidato da LBEN, viene condotto nell'ambito di una collaborazione tra due laboratori EPFL (LANES e LBEN) e ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, Università dell'Illinois Urbana-Champaign.

Già nel 2016, ricercatori della LBEN hanno riferito che, per la prima volta, avevano prodotto energia osmotica attraverso membrane 2-D che misuravano solo tre atomi di spessore. L'esperimento è stato un'importante dimostrazione che i nanomateriali possono davvero rappresentare una rivoluzione in questo campo, con applicazione diretta prevista per le energie rinnovabili e piccole, fonti di energia portatili.

Al tempo, per ottenere un'elevata generazione di energia, i ricercatori hanno dovuto operare in un ambiente alcalino, con livelli di pH elevati, lontani dai valori riscontrati negli estuari. Era necessario un pH elevato per aumentare la carica superficiale del MoS2 e per migliorare la potenza osmotica.

Questa volta, invece di usare trattamenti chimici, i ricercatori hanno scoperto che la luce potrebbe svolgere quel ruolo, consentendo loro di operare in condizioni reali.