I fautori dell'energia pulita avranno presto una nuova fonte da aggiungere alla loro attuale gamma di energia solare, vento, e l'energia idroelettrica:energia osmotica. O più precisamente, energia generata da un fenomeno naturale che si verifica quando l'acqua dolce entra in contatto con l'acqua di mare attraverso una membrana.

I ricercatori del Laboratorio di biologia su nanoscala dell'EPFL hanno sviluppato un sistema di generazione di energia osmotica che offre rendimenti mai visti prima. La loro innovazione risiede in una membrana spessa tre atomi utilizzata per separare i due fluidi. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati in Natura .

Il concetto è abbastanza semplice. Una membrana semipermeabile separa due fluidi con diverse concentrazioni di sale. Gli ioni di sale viaggiano attraverso la membrana fino a quando le concentrazioni di sale nei due fluidi raggiungono l'equilibrio. Quel fenomeno è proprio l'osmosi.

Se il sistema viene utilizzato con acqua di mare e acqua dolce, gli ioni di sale nell'acqua di mare passano attraverso la membrana nell'acqua dolce finché entrambi i fluidi non hanno la stessa concentrazione di sale. E poiché uno ione è semplicemente un atomo con una carica elettrica, il movimento degli ioni di sale può essere sfruttato per generare elettricità.

A 3 atomi di spessore, membrana selettiva che fa il lavoro

Il sistema EPFL è costituito da due compartimenti pieni di liquido separati da una sottile membrana in bisolfuro di molibdeno. La membrana ha un piccolo foro, o nanoporo, attraverso il quale gli ioni dell'acqua di mare passano nell'acqua dolce fino a quando le concentrazioni di sale dei due fluidi sono uguali. Quando gli ioni passano attraverso il nanoporo, i loro elettroni vengono trasferiti a un elettrodo, che è ciò che viene utilizzato per generare una corrente elettrica.

Grazie alle sue proprietà la membrana permette il passaggio di ioni carichi positivamente, respingendo la maggior parte di quelli caricati negativamente. Ciò crea tensione tra i due liquidi poiché uno accumula una carica positiva e l'altro una carica negativa. Questa tensione è ciò che fa fluire la corrente generata dal trasferimento di ioni.

"Abbiamo dovuto prima fabbricare e poi studiare la dimensione ottimale del nanoporo. Se è troppo grande, gli ioni negativi possono passare e la tensione risultante sarebbe troppo bassa. Se è troppo piccolo, non possono passare abbastanza ioni e la corrente sarebbe troppo debole, "ha detto Jiandong Feng, autore principale della ricerca.

Ciò che distingue il sistema EPFL è la sua membrana. In questi tipi di impianti, la corrente aumenta con una membrana più sottile. E la membrana dell'EPFL è spessa solo pochi atomi. Il materiale di cui è composto - bisolfuro di molibdeno - è ideale per generare una corrente osmotica. "È la prima volta che viene utilizzato un materiale bidimensionale per questo tipo di applicazione, " ha detto Aleksandra Radenovic, capo del laboratorio di Biologia Nanoscala

Alimentare 50'000 lampadine a risparmio energetico con membrana da 1 m2

Il potenziale del nuovo sistema è enorme. Secondo i loro calcoli, una membrana di 1 m² con il 30% della sua superficie coperta da nanopori dovrebbe essere in grado di produrre 1 MW di elettricità - o abbastanza per alimentare 50, 000 lampadine a risparmio energetico standard. E poiché il bisolfuro di molibdeno (MoS2) si trova facilmente in natura o può essere coltivato mediante deposizione chimica da vapore, il sistema potrebbe essere fattibilmente potenziato per la generazione di energia su larga scala. La sfida principale nell'ampliare questo processo è scoprire come rendere i pori relativamente uniformi.

Fino ad ora, i ricercatori hanno lavorato su una membrana con un singolo nanoporo, per capire esattamente cosa stava succedendo. '' Dal punto di vista ingegneristico, il sistema a singolo nanoporo è l'ideale per approfondire la nostra comprensione fondamentale dei processi basati su membrana e fornire informazioni utili per la commercializzazione a livello industriale'', disse Jiandong Feng.

I ricercatori sono stati in grado di far funzionare un nanotransistor dalla corrente generata da un singolo nanoporo e hanno così dimostrato un nanosistema autoalimentato. I transistor MoS2 a strato singolo a bassa potenza sono stati fabbricati in collaborazione con il team di Andreas Kis presso l'EPFL, mentre le simulazioni di dinamica molecolare sono state eseguite da collaboratori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign

Sfruttare il potenziale degli estuari

La ricerca dell'EPFL fa parte di un trend in crescita. Negli ultimi anni, scienziati di tutto il mondo hanno sviluppato sistemi che sfruttano l'energia osmotica per creare elettricità. I progetti pilota sono sorti in luoghi come la Norvegia, Paesi Bassi, Giappone, e gli Stati Uniti per generare energia negli estuari, dove i fiumi sfociano nel mare. Per adesso, le membrane utilizzate nella maggior parte dei sistemi sono organiche e fragili, e fornire bassi rendimenti. Alcuni sistemi utilizzano il movimento dell'acqua, piuttosto che ioni, per alimentare turbine che a loro volta producono elettricità.

Una volta che i sistemi diventano più robusti, l'energia osmotica potrebbe svolgere un ruolo importante nella generazione di energia rinnovabile. Mentre i pannelli solari richiedono un'adeguata luce solare e le turbine eoliche un vento adeguato, l'energia osmotica può essere prodotta praticamente a qualsiasi ora del giorno o della notte, a condizione che ci sia un estuario nelle vicinanze.