Un equipo de investigadores del Laboratorio de Biología a Nanoescala (LBEN) de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza), dirigido por la profesora Aleksandra Radenovic, ha demostrado que la producción de energía mediante ósmosis se puede optimizar utilizando la luz. Al reproducir las condiciones que ocurren en los estuarios, iluminaron 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, como se detalla en la revista Joule.
Este método de generar energía ya fue demostrado en laboratorio por un equipo de LBEN en 2016. Ahora, la adición de luz significa que la tecnología se ha acercado un paso más a la aplicación en el mundo real.
El sistema está formado por dos compartimientos llenos de líquido, en concentraciones de sal marcadamente diferentes, separadas por una membrana de disulfuro de molibdeno (MoS2). En el medio de la membrana hay un nanoporo, un agujero pequeño de entre tres y diez nanómetros (una millonésima de milímetro) de diámetro.
Cada vez que un ion salino pasa a través del orificio de la solución de alta a baja concentración, un electrón se transfiere a un electrodo, que genera una corriente eléctrica. El potencial de generación de energía del sistema depende de varios factores, entre ellos, la membrana en sí misma, que debe ser delgada para generar la máxima corriente.
El nanoporo también tiene que ser selectivo para crear una diferencia de 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 aleja a la mayoría de los cargados negativamente. El sistema está finamente equilibrado: el nanoporo y la membrana tienen que estar muy cargados, y se necesitan múltiples nanoporos del mismo tamaño, lo que es un proceso técnicamente desafiante.
Luz láser para liberar los electrones
Los investigadores resolvieron estos dos problemas al mismo tiempo mediante el uso de luz láser de baja intensidad. La luz libera electrones incrustados y hace que se acumulen en la superficie de la membrana, lo que eleva la carga superficial del material. Como resultado, el nanoporo es más selectivo y el flujo de corriente aumenta.
"En conjunto, estos dos efectos significan que no tenemos que preocuparnos tanto por el tamaño de los nanoporos –explica Martina Lihter, investigadora de LBEN–. Es una buena noticia para la producción a gran escala de la tecnología, ya que los agujeros no tienen que ser perfectos y uniformes".
Según los investigadores, se podría usar un sistema de espejos y lentes para dirigir esta luz hacia las membranas de los estuarios de los ríos, como ya hacen los captadores y concentradores solares fotovoltaicos, una tecnología ampliamente empleada. De esta forma, "el sistema podría generar energía osmótica día y noche –explica Michael Graf, autor principal del artículo–. La salida se duplicaría durante las horas de luz".
Los investigadores continuarán su trabajo explorando posibilidades para aumentar la producción de la membrana, abordando diferentes desafíos, como la densidad óptima de poros. Todavía hay mucho trabajo por hacer antes de que se pueda utilizar la tecnología para aplicaciones del mundo real. Por ejemplo, la membrana ultrafina necesita estabilizarse mecánicamente. Esto podría hacerse usando 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 LBEN, se lleva a cabo como parte de una colaboración entre dos laboratorios de EPFL (LANES y LBEN) e investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, en Estados Unidos.
