A energia osmótica, muitas vezes referida como energia azul, é um novo método de geração de eletricidade renovável utilizando a mistura natural de água salgada e doce. Quando esses dois tipos de água se encontram, os íons da água salgada se movem através de uma membrana seletiva de íons especializada para a água com menor salinidade. Esse movimento cria uma voltagem que pode ser capturada como eletricidade.
Apesar do seu potencial, a tecnologia enfrentou obstáculos significativos. Membranas projetadas para permitir a passagem rápida de íons muitas vezes perdem sua capacidade de separar cargas com eficácia. Além disso, foi difícil manter a resistência da estrutura. Devido a estas limitações, a maioria dos sistemas de energia osmótica permanecem largamente limitados a experiências de laboratório.
Nanoporos revestidos com lipídios melhoram o fluxo de íons
Cientistas do Laboratório de Biologia em Nanoescala (LBEN), liderado por Aleksandra Rodenovic da Escola de Engenharia da EPFL, em conjunto com investigadores do Centro Interdisciplinar de Microscopia Electrónica (CIME) demonstraram uma solução para estes problemas. Seus resultados foram publicados em Energia da natureza.
A equipe melhorou o movimento dos íons revestindo os nanoporos com pequenas bolhas lipídicas conhecidas como lipossomas (lipossomas). Em condições normais, esses nanoporos permitem que os íons passem com alta precisão, mas muito lentamente. No entanto, quando revestidos com uma camada lipídica, os nanoporos permitem que íons selecionados se movam através deles com muito mais facilidade. O atrito reduzido aumenta muito o transporte de íons e melhora o desempenho geral do sistema.
“Nosso trabalho combina os pontos fortes de duas abordagens principais para a coleta de energia osmótica: membranas poliméricas, que inspiram nossa arquitetura de alta porosidade; e dispositivos nanofluídicos, que usamos para definir nanoporos altamente carregados”, diz Rodenovic. “Ao combinar um esquema de membrana escalável com canais nanofluídicos projetados com precisão, alcançamos uma conversão de energia osmótica altamente eficiente e preparamos o caminho para sistemas de energia azul nanofluídica.”
Lubrificante de hidratação dentro de nanoporos
O revestimento lubrificante utilizado no estudo é baseado em bicamadas lipídicas, estruturas comumente encontradas nas membranas das células vivas. Essas bicamadas se formam naturalmente quando as duas camadas de moléculas de gordura se alinham de modo que suas caudas repelentes de água (hidrofóbicas) fiquem voltadas para dentro e suas caudas que atraem água (hidrofílicas) para fora.
Quando aplicadas a nanoporos semelhantes a estalactites embutidos em uma membrana de nitreto de silício, as cabeças hidrofílicas voltadas para fora atraem uma camada extremamente fina de água. Essa camada de água tem apenas algumas moléculas de espessura, mas adere à superfície dos nanoporos e evita que os íons interajam diretamente com ela. 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 fabricaram uma membrana contendo 1.000 nanoporos revestidos de lipídios dispostos em um padrão hexagonal. Eles então avaliaram o dispositivo sob condições que imitam a concentração natural de sal encontrada na confluência da água do mar e da água do rio.
O sistema atingiu uma densidade de potência de cerca de 15 watts por metro quadrado. Este desempenho é aproximadamente 2 a 3 vezes maior do que o 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 geração de energia osmótica. No entanto, experiências mostrando ambas as melhorias simultaneamente têm sido raras.
“Ao mostrar como o controle preciso sobre a geometria dos nanoporos e as propriedades da superfície pode mudar fundamentalmente o transporte de íons, nosso estudo leva a pesquisa de energia azul além dos testes de desempenho para uma verdadeira era de design”, diz o pesquisador do LBEN, Tzu-Heng Chen.
O primeiro autor, Yunfei Teng, observa que a estratégia de “lubrificação por hidratação” da equipe pode ter aplicações além dos sistemas de energia osmótica. “O melhor comportamento de transporte que observamos devido à lubrificação por hidratação é universal, e o mesmo princípio pode ser estendido para além dos dispositivos de energia azul”, diz ele.
Ferramentas avançadas de visualização e pesquisa
O projeto também contou com uma análise detalhada da estrutura e composição química dos nanoporos. Este trabalho foi realizado pelo Dr. Victor Boureau do Centro Interdisciplinar de Microscopia Eletrônica (CIME) da EPFL. Apoio adicional veio dos centros de pesquisa compartilhados da EPFL para nanofabricação, caracterização de materiais e computação de alto desempenho, incluindo CMi, MHMC e SCITAS.
