La membrana ‘azul’ de nanotubos de nitruro de boro crea energía al controlar el flujo de iones cargados eléctricamente en el agua
Redacción
Es posible que los defensores de la energía verde pronto se vuelvan azules. Una nueva membrana podría desbloquear el potencial de la «energía azul», que utiliza las diferencias químicas entre el agua dulce y salada para generar electricidad. Si los investigadores pueden ampliar la membrana del tamaño de una estampilla de una manera asequible, podría proporcionar energía libre de carbono a millones de personas en las naciones costeras donde los ríos de agua dulce se encuentran con el mar.
La promesa de la energía azul se deriva de su escala: los ríos vierten unos 37.000 kilómetros cúbicos de agua dulce en los océanos cada año. Esta intersección entre agua dulce y salada crea el potencial para generar mucha electricidad: 2,6 teravatios, según una estimación reciente, aproximadamente la cantidad que pueden generar 2000 plantas de energía nuclear.
Hay varias formas de generar energía a partir de esa mezcla. Y se han construido un par de centrales eléctricas de energía azul. Pero su alto costo ha impedido su adopción generalizada. Todos los enfoques de energía azul se basan en el hecho de que las sales están compuestas de iones o sustancias químicas que albergan una carga positiva o negativa. En los sólidos, las cargas positivas y negativas se atraen entre sí, uniendo los iones. (La sal de mesa, por ejemplo, es un compuesto hecho de iones de sodio con carga positiva unidos a iones de cloruro con carga negativa). En el agua, estos iones se separan y pueden moverse de forma independiente.
Al bombear los iones positivos, como el sodio o el potasio, al otro lado de una membrana semipermeable, los investigadores pueden crear dos charcos de agua: uno con carga positiva y otro con carga negativa. Si luego sumergen electrodos en las piscinas y los conectan con un cable, los electrones fluirán desde el lado cargado negativamente hacia el lado cargado positivamente, generando electricidad.
En 2013, investigadores franceses fabricaron una membrana de este tipo. Utilizaron una película cerámica de nitruro de silicio, comúnmente utilizada en la industria de la electrónica, herramientas de corte y otros usos, perforada por un solo poro revestido con un nanotubo de nitruro de boro (BNNT), un material que se está investigando para su uso en compuestos de alta resistencia. entre otras cosas. Debido a que los BNNT tienen una carga muy negativa, el equipo francés sospechó que evitarían que los iones cargados negativamente en el agua atraviesen la membrana (porque cargas eléctricas similares se repelen entre sí). Su corazonada era correcta. Descubrieron que cuando se colocaba una membrana con un solo BNNT entre agua dulce y agua salada, los iones positivos pasaban del lado salado al lado fresco, pero los iones cargados negativamente se bloqueaban en su mayoría.
El desequilibrio de carga entre los dos lados fue tan fuerte que los investigadores estimaron que un solo metro cuadrado de la membrana, repleta de millones de poros por centímetro cuadrado, podría generar alrededor de 30 megavatios hora por año. Eso es suficiente para alimentar tres hogares.
Pero crear incluso películas del tamaño de un sello de correos ha resultado imposible, porque nadie ha descubierto cómo hacer que todos los BNNT largos y delgados se alineen perpendicularmente a la membrana. Hasta ahora.
En la reunión semestral de la Sociedad de Investigación de Materiales, Semih Cetindag, Ph.D. estudiante en el laboratorio del ingeniero mecánico Jerry Wei-Jen Shan en la Universidad de Rutgers en Piscataway, Nueva Jersey, informó que su equipo ahora ha descifrado el código. Los nanotubos eran fáciles. Cetindag dice que el laboratorio simplemente los compra a una empresa de suministro de productos químicos. Luego, los científicos los agregan a un precursor de polímero que se extiende en una película de 6,5 micrómetros de espesor. Para orientar los tubos alineados al azar, los investigadores querían usar un campo magnético. El problema: los BNNT no son magnéticos.
Entonces, Cetindag pintó los tubos cargados negativamente con un revestimiento cargado positivamente; las moléculas que lo componían eran demasiado grandes para caber dentro de los BNNT y, por lo tanto, dejaban sus canales abiertos. Luego, Cetindag agregó partículas de óxido de hierro magnético con carga negativa a la mezcla, que se adhirieron a los recubrimientos con carga positiva.
Eso le dio al equipo de Rutgers la palanca que estaba buscando. Cuando los investigadores aplicaron un campo magnético, pudieron maniobrar los tubos para que se alinearan al máximo a lo largo de la película de polímero. Luego aplicaron luz ultravioleta para curar el polímero, bloqueando todo en su lugar. Finalmente, el equipo usó un rayo de plasma para grabar parte del material en las superficies superior e inferior de la membrana, asegurándose de que los tubos estuvieran abiertos a ambos lados. La membrana final contenía unos 10 millones de BNNT por centímetro cúbico.
«Es impresionante», dice Hyung Gyu Park, un ingeniero mecánico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang en Corea del Sur que participó en el trabajo. «Nuestro campo ha esperado este éxito durante muchos años».
Cuando los investigadores colocaron su membrana en un pequeño recipiente que separaba agua dulce y salada, produjo cuatro veces más energía por área que el experimento BNNT del equipo francés anterior. Ese aumento de potencia, dice Shan, probablemente se deba a que los BNNT que usaron son más estrechos y, por lo tanto, hacen un mejor trabajo al excluir los iones de cloruro cargados negativamente.
Y sospechan que pueden hacerlo aún mejor. «No estamos explotando todo el potencial de las membranas», dice Cetindag. Eso se debe a que solo el 2 % de los BNNTS estaban realmente abiertos en ambos lados de la membrana después del tratamiento con plasma. Ahora, los investigadores están tratando de aumentar la cantidad de poros abiertos en sus películas, lo que algún día podría dar un impulso largamente buscado a los defensores de la energía azul.
Fuente:https://elhorticultor.org/
