A energia osmótica, muitas vezes referida como energia azul, é um método emergente de produção de eletricidade renovável utilizando a mistura natural de água salgada e doce. Quando esses dois tipos de água se encontram, os íons na salmoura se movem em direção à água de menor salinidade através de membranas seletivas de íons especializadas. Esse movimento gera tensão, que pode ser convertida em energia elétrica.
Apesar do seu potencial, a tecnologia enfrenta obstáculos significativos. Membranas projetadas para permitir a passagem rápida de íons muitas vezes perdem sua capacidade de separar cargas com eficácia. Além disso, manter a durabilidade estrutural tem se mostrado difícil. Devido a estas limitações, a maioria dos sistemas de energia osmótica permanecem principalmente limitados a experiências de laboratório.
Nanoporos revestidos com lipídios melhoram o fluxo de íons
Cientistas do Laboratório de Nanobiologia (LBEN), liderados por Aleksandra Radenovic da Escola de Engenharia da EPFL, em colaboração com investigadores do Centro Interdisciplinar de Microscopia Electrónica (CIME), demonstraram agora uma forma de resolver estes problemas. Suas descobertas foram publicadas em energia natural.
A equipe melhorou o movimento dos íons revestindo os nanoporos com pequenas bolhas de lipídios chamadas lipossomas. Em condições normais, esses nanoporos permitem a passagem de íons com alta precisão, mas muito lentamente. No entanto, quando revestidos com uma camada lipídica, os nanoporos permitem que os íons selecionados se movam mais facilmente. O atrito reduzido aumenta significativamente a transmissão de íons e melhora o desempenho geral do sistema.
“Nosso trabalho reúne as vantagens de duas abordagens principais para a coleta de energia osmótica: filmes poliméricos, que inspiram nossas estruturas de alta porosidade, e dispositivos nanofluídicos, que usamos para definir nanoporos altamente carregados”, disse Radnovich. “Ao combinar um layout de membrana escalonável com canais nanofluídicos projetados com precisão, alcançamos uma conversão de energia osmótica eficiente e abrimos caminho para sistemas de energia azul baseados em nanofluidos.”
Lubrificação de hidratação dentro de nanoporos
O revestimento lubrificante utilizado no estudo é baseado em bicamadas lipídicas, estrutura comum encontrada nas membranas celulares vivas. Essas bicamadas se formam naturalmente quando duas camadas de moléculas de gordura estão alinhadas com suas caudas resistentes à água (hidrofóbicas) voltadas para dentro e suas cabeças que atraem água (hidrofílicas) voltadas para fora.
Quando aplicadas a nanoporos em forma de estalactite 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 do nanoporo e evita que os íons interajam diretamente com ela. Como resultado, o atrito é reduzido e os íons podem passar pelos poros com mais suavidade.
A energia azul proporciona maior produção de energia
Para testar o projeto, os pesquisadores criaram uma membrana contendo 1.000 nanoporos revestidos de lipídios dispostos em um padrão hexagonal. Eles então avaliaram o dispositivo sob condições que simulavam concentrações naturais de sal encontradas na intersecção da água do mar e da água do rio.
O sistema atinge uma densidade de potência de aproximadamente 15 watts por metro quadrado. Este rendimento é aproximadamente 2-3 vezes maior do que o da atual tecnologia de filme polimérico.
Um passo em direção a sistemas práticos de energia azul
Simulações computacionais anteriores mostraram que melhorar o fluxo iônico e a seletividade em canais nanofluídicos pode aumentar significativamente a produção de energia osmótica. No entanto, experiências que demonstrem ambas as melhorias simultaneamente são raras.
“Ao mostrar como o controle preciso da geometria dos nanoporos e das propriedades da superfície pode remodelar fundamentalmente o transporte de íons, nosso estudo leva a pesquisa de energia azul além dos testes de desempenho e para a era do verdadeiro design”, disse o pesquisador do LBEN, Tzu-Heng Chen.
O primeiro autor, Teng Yunfei, apontou que a estratégia de “lubrificação por hidratação” da equipe pode ter aplicações além dos sistemas de energia osmótica. “O melhor comportamento de transporte impulsionado pela lubrificação por hidratação que observamos é universal, e os mesmos princípios podem ser estendidos para além dos dispositivos de energia azul”, disse ele.
Instalações avançadas de imagem e pesquisa
O projeto também conta com análises detalhadas da estrutura e composição química dos nanoporos. Este trabalho foi realizado pelo Dr. Victor Boureau do Centro Interdisciplinar de Microscopia Eletrônica da EPFL (CIME). Apoio adicional vem das instalações de pesquisa compartilhadas da EPFL em nanofabricação, caracterização de materiais e computação de alto desempenho, incluindo CMi, MHMC e SCITAS.
