Electricitate din diferența de salinitate: membrane cu nanotuburi alimentează un calculator și deschid calea către blue energy — NRG-IA

De fiecare dată când un râu se varsă în mare, două ape cu concentrații foarte diferite de sare se amestecă spontan, iar diferența lor de potențial chimic se pierde în mediul înconjurător. Cercetătorii încearcă de zeci de ani să transforme această energie de amestecare în electricitate. O nouă generație de membrane construită din nanotuburi de nitrură de bor arată că procesul poate fi împins până la scara câtorva nanometri, unde ionii se comportă radical diferit față de apa obișnuită. Într-un studiu publicat în Nature Nanotechnology , echipe de la Rutgers University, University of Illinois Chicago și Argonne National Laboratory au construit membrane macroscopice traversate de milioane de nanotuburi verticale. Opt membrane de numai 1 cm² fiecare , conectate în serie și expuse unui gradient de salinitate controlat, au produs suficientă electricitate pentru a alimenta un calculator, un ceas electronic și LED-uri . Rezultatul este important nu pentru cantitatea absolută de electricitate produsă, încă mică, ci pentru mecanismul pe care îl demonstrează. Nanotuburile au transportat ionii pozitivi cu viteze de până la 31 de ori mai mari decât cele prezise de difuzia convențională , iar litiul s-a deplasat preferențial față de alți ioni alcalini. Aceeași membrană care poate transforma diferența de salinitate în electricitate ar putea deveni, în principiu, și un instrument pentru recuperarea selectivă a litiului. Râul și marea formează împreună o resursă energetică Energia de gradient salin, numită frecvent „blue energy” sau energie osmotică, nu provine din viteza apei, ca în hidroenergie. Sursa este diferența de concentrație dintre două soluții. Apa dulce și apa sărată se află în stări chimice diferite, iar amestecarea lor reduce energia liberă a sistemului. Dacă cele două ape sunt amestecate liber, această energie se disipă. Dacă ionii sunt obligați să treacă selectiv printr-o membrană, o parte din diferența de potențial chimic poate fi transformată într-o diferență de potențial electric și apoi în curent. Pentru public, imaginea cea mai apropiată este cea a unei baterii naturale care se reface permanent. Râul aduce continuu apă cu salinitate redusă, marea furnizează apa sărată, iar membrana încearcă să transforme diferența dintre ele în electricitate înainte ca amestecarea să o anuleze. Spre deosebire de solar și eolian, resursa nu depinde direct de lumină sau vânt. Producția unei instalații reale ar varia însă cu debitul râului, temperatura și salinitatea, deci nu ar fi perfect constantă. Milioane de nanotuburi devin canale pentru ioni Membranele experimentale folosesc nanotuburi de nitrură de bor orientate vertical , cu diametre de aproximativ 3 și 12 nanometri . Cercetătorii au realizat structuri cu densități de până la circa 10 milioane de nanopori pe centimetru pătrat . La aceste dimensiuni, peretele canalului nu mai este doar o margine pasivă. Suprafața nanotubului capătă sarcină electrică în contact cu soluția și influențează direct ce ioni pot trece și cât de repede se deplasează. Când o parte a membranei este în contact cu o soluție mai concentrată și cealaltă cu una mai diluată, ionii încearcă să egaleze concentrațiile. Nanotuburile favorizează transportul cationilor, adică al ionilor cu sarcină pozitivă. Această deplasare selectivă separă sarcinile și produce tensiune electrică. Fizica devine deosebit de interesantă deoarece ionii nu se deplasează doar prin difuzie obișnuită. Gradientul de concentrație generează și un transport al fluidului de-a lungul suprafeței nanotubului, fenomen descris drept transport difuzio-osmotic. Efectul suplimentar accelerează masiv deplasarea ionilor prin canalele nanometrice. Ionii au trecut de până la 31 de ori mai repede decât prevedea difuzia clasică În nanotuburile testate, transportul cationilor a depășit de până la 31 de ori valoarea anticipată din difuzia Fickiană convențională. Aceasta este descoperirea fizică centrală a lucrării și motivul pentru care membrana devine interesantă energetic. Mai surprinzător este comportamentul litiului. În apă liberă, mobilitățile Li⁺, Na⁺ și K⁺ urmează o ordine bine cunoscută. În nanotuburile de nitrură de bor, cercetătorii au observat o inversare a tendinței: transportul Li⁺ a fost accentuat preferențial, ajungând la o rată aproximativ de patru ori mai mare decât pentru K⁺ în rezultatele sintetizate de echipă. Simulările indică faptul că diferența provine din interacțiunile specifice dintre ionii de litiu, moleculele de apă și suprafața încărcată a nanotuburilor. La câțiva nanometri, proprietățile chimice ale peretelui ajung astfel să controleze comportamentul întregului flux ionic. Pentru energie, asta înseamnă mai mult curent printr-o suprafață foarte mică. Pentru industria materiilor prime, aceeași proprietate deschide o altă posibilitate: separarea litiului din saramuri sau din fluxurile rezultate din reciclarea bateriilor, unde acesta trebuie izolat din amestecuri care conțin cantități mult mai mari de alți ioni. Opt…