A energia osmótica, muitas vezes referida como energia azul, é um método emergente de geração de eletricidade renovável, aproveitando a mistura natural de água salgada e água doce. Quando esses dois tipos de água se encontram, os íons da água salgada se movem através de uma membrana especial seletiva de íons para a água de baixa salinidade. Esse movimento cria uma voltagem que pode ser capturada como eletricidade.
Apesar do seu potencial, a tecnologia enfrenta obstáculos significativos. Membranas projetadas para permitir a passagem rápida de íons muitas vezes perdem sua capacidade de separar cargas com eficácia. Além disso, a estabilidade estrutural tem se mostrado difícil de manter. Devido a estas limitações, a maioria dos sistemas de energia osmótica estão largamente limitados a testes laboratoriais.
Nanoporos revestidos de lipídios melhoram o fluxo de íons
Cientistas do Laboratório de Biologia em Nanoescala (LBEN), liderados por Aleksandra Radenovic da Escola de Engenharia da EPFL, juntamente com pesquisadores do Centro Interdisciplinar de Microscopia Eletrônica (CIME) mostraram agora uma solução para este problema. Suas descobertas foram publicadas Poder da natureza.
A equipe melhorou o movimento dos íons revestindo o nanoporo com pequenas bolhas lipídicas conhecidas como lipossomas. Em condições normais, esses nanoporos permitem que os íons passem com alta precisão, mas em velocidades muito lentas. Quando revestidos com uma camada lipídica, os nanoporos permitem que os íons selecionados passem mais facilmente. O atrito reduzido aumenta significativamente o transporte de íons e melhora o desempenho geral do sistema.
“Nosso trabalho combina os pontos fortes de dois métodos principais de coleta de energia osmótica: membranas poliméricas, que inspiram nossa arquitetura de alta porosidade; e dispositivos nanofluídicos, que usamos para definir nanoporos altamente carregados”, disse Radenovic. “Ao combinar um layout de membrana escalonável com canais nanofluídicos projetados com precisão, alcançamos uma conversão de energia osmótica altamente eficiente e abrimos um caminho para sistemas de energia azul baseados em nanofluidos.”
Lubrificação de hidratação dentro de nanoporos
O revestimento lubrificante utilizado no estudo é baseado em bicamadas lipídicas, comumente encontradas em membranas celulares vivas. Essas bicamadas se formam naturalmente quando as duas camadas de moléculas de gordura estão alinhadas com suas caudas repelentes de água (hidrofóbicas) voltadas para dentro e suas cabeças que atraem água (hidrofílicas) voltadas para fora.
Quando aplicados a nanoporos em forma de estalactite incorporados em uma membrana de nitreto de silício, as cabeças externamente hidrofílicas atraem uma camada extremamente fina de água. Essa camada de água tem apenas algumas moléculas de espessura, mas adere à superfície do nanoporo e evita que os íons interajam diretamente com ele. Como resultado, o atrito é reduzido e os íons podem passar mais suavemente pelos poros.
Maior produção de energia da Blue Energy
Para testar o projeto, os pesquisadores criaram uma membrana contendo 1.000 nanoporos revestidos de lipídios dispostos em um padrão hexagonal. Eles então avaliaram o dispositivo sob condições que imitam as concentrações naturais de sal onde a água do mar e a água do rio se encontram.
O sistema atingiu uma densidade de potência de cerca de 15 watts por metro quadrado. Esta produção é cerca de 2 a 3 vezes maior do que as atuais tecnologias de membrana polimérica podem produzir.
Um passo em direção a sistemas práticos de energia azul
Simulações de computador anteriores sugeriram que melhorar o fluxo iônico e a seletividade em canais nanofluídicos poderia aumentar drasticamente a produção de energia osmótica. No entanto, os ensaios que mostram ambas as melhorias ao mesmo tempo são raros.
“Ao mostrar como o controle preciso sobre a geometria dos nanoporos e as propriedades da superfície pode remodelar fundamentalmente o transporte de íons, nosso estudo leva a pesquisa de energia azul além dos testes de desempenho e para uma verdadeira era de design”, disse o pesquisador do LBEN, Tzu-Heng Chen.
O primeiro autor, Yunfei Teng, observa que a técnica de “lubrificação por hidratação” da equipe pode ter aplicações além dos sistemas de energia osmótica. “O melhor comportamento de transporte que observamos, impulsionado pela lubrificação por hidratação, é universal, e o mesmo princípio pode ser estendido para além dos dispositivos de energia azul”, diz ele.
Instalações avançadas de imagem e pesquisa
O projeto também conta com análises detalhadas da estrutura e composição química dos nanoporos. Este trabalho foi realizado pelo Dr. Victor Boro do Centro Interdisciplinar de Microscopia Eletrônica (CIME) da EPFL. Apoio adicional veio das instalações de pesquisa compartilhadas da EPFL para nanofabricação, caracterização de materiais e computação de alto desempenho, incluindo CMi, MHMC e SCITAS.
