Eletricidade gerada com sal e uma membrana com três átomos

Os defensores da energia limpa em breve terão uma nova fonte para adicionar à sua gama existente, além da energia solar, eólica e hidrelétrica: a energia osmótica. Ou mais especificamente, a energia gerada por um fenômeno natural que ocorre quando a água fresca entra em contato com a água do mar através de uma membrana.

Pesquisadores do Laboratório de Biologia da EPFL na Suíça, têm desenvolvido um sistema osmótico de geração de energia que proporciona rendimentos nunca antes visto. A sua inovação encontra-se em uma membrana com a espessura de três átomos usada para separar os dois fluidos. Os resultados de sua pesquisa foram publicados na revista Nature.

O conceito é bastante simples. Uma membrana semipermeável separa dois fluidos com diferentes concentrações de sal. Íons de sal viajam através da membrana até que as concentrações de sal nos dois fluidos atinjam o equilíbrio. Esse fenômeno é precisamente a osmose.

Se o sistema é utilizado com água do mar e água “normal”, os íons de sal na água do mar passam através da membrana para a água fresca até que os dois fluidos têm a mesma concentração de sal. E uma vez que um íon é simplesmente um átomo com uma carga eléctrica, a movimentação dos íons de sal pode ser aproveitada para gerar eletricidade.

Uma membrana de 3 átomos de espessura faz o trabalho:

O sistema da EPFL consiste em dois compartimentos cheios de líquido separados por uma fina membrana feita de disulfeto de molibdênio. A membrana tem um buraco minúsculo, ou nano poro, através do qual os íons da água do mar passam para a água fresca até que a concentrações de sal dos dois fluidos fiquem iguais. À medida que os íons passam através dos nano-poros, os elétrons são transferidos para um eletrodo - que é o que é usado para gerar uma corrente eléctrica.

Graças às propriedades da membrana os íons carregados positivamente podem passar, ao mesmo tempo que afastam a maioria das cargas negativas. Isso cria tensão entre os dois líquidos pois constrói-se uma carga positiva de um lado, e outra negativa em outro. Esta tensão é o que faz com que a corrente gerada pela transferência de íons flua.

"Tivemos que, primeiro fabricar e, em seguida, investigar o tamanho ideal do nano poro. Se ele é muito grande, os íons negativos podem passar e a tensão resultante seria demasiadamente baixa. Se ele é muito pequeno, podem passar uma quantidade não suficientes de íons e a corrente seria muito fraca ", disse Jiandong Feng, principal autor da pesquisa.

O diferencial do sistema da EPFL é a sua membrana. Nestes tipos de sistemas, a corrente aumenta com uma membrana mais fina. E a membrana da EPFL tem apenas alguns átomos de espessura. O material é ideal para gerar uma corrente osmótica. "Esta é a primeira vez que um material bidimensional foi utilizado para este tipo de aplicação", disse Aleksandra Radenovic, chefe do laboratory of Nanoscale Biology.

O potencial do novo sistema é enorme. De acordo com os cálculos, uma membrana 1m² com 30% da sua superfície coberta por nanoporos deve ser capaz de produzir de 1 MW de eletricidade. E uma vez que disulfeto de molibdénio (MoS2) é facilmente encontrado na natureza e pode ser cultivado por deposição química à vapor, o sistema seria passível de ser construído em larga escala para geração de energia. O grande desafio no aumento de escala deste processo é descobrir como fazer os que poros sejam relativamente uniformes.

Até agora, os investigadores têm trabalhado em uma membrana com um único nano poro, a fim de compreender exatamente o que estava acontecendo. ''Do ponto de vista de engenharia, sistema de nano poro único é ideal para promover nossa compreensão fundamental dos processos baseados nesta membrana, e fornecer informações úteis para a comercialização a nível industrial '', disse Jiandong Feng. Os pesquisadores foram capazes de executar um nano transistor com a corrente gerada por um único nano poro e, assim, mostraram uma nano sistema auto-alimentado.

A pesquisa da EPFL é parte de uma tendência crescente. Nos últimos anos, cientistas de todo o mundo têm desenvolvido sistemas que utilizam energia osmótica para gerar eletricidade. Os projetos piloto surgiram em lugares como a Noruega, Holanda, Japão e Estados Unidos para gerar energia em estuários, onde os rios correm para o mar. Por enquanto, as membranas utilizadas na maioria dos sistemas são orgânicas e frágeis, e entregam baixos rendimentos. Alguns sistemas utilizam a circulação de água, em vez de íons, para turbinas de energia que por sua vez produzem eletricidade.

Uma vez que os sistemas tornam-se mais robustos, o poder osmótico poderia desempenhar um papel importante na geração de energia renovável. Enquanto que os painéis solares exigem adequação à luz solar e turbinas eólicas ao vento, energia osmótica pode ser produzida praticamente qualquer hora do dia ou da noite, desde haja um estuário nas proximidades.

Fonte: http://dx.doi.org/10.1038/nature18593

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