I nanodispositivi generano energia dall’evaporazione dell’acqua del rubinetto e dell’acqua di mare

I ricercatori dell’EPFL hanno scoperto che i nanodispositivi che sfruttano l’effetto idroelettrico possono raccogliere elettricità dall’evaporazione di liquidi con concentrazioni ioniche più elevate rispetto all’acqua pura, rivelando un vasto potenziale energetico non sfruttato.

L'evaporazione è un processo naturale così onnipresente che la maggior parte di noi lo dà per scontato. Infatti, quasi la metà dell’energia solare che raggiunge la Terra si traduce in evaporazione. Dal 2017, i ricercatori lavorano per sfruttare il potenziale energetico dell’evaporazione tramite l’effetto idrovoltaico (HV), che consente di raccogliere elettricità quando un liquido viene fatto passare sulla superficie carica di un nanodispositivo. L'evaporazione crea un flusso continuo all'interno dei nanocanali all'interno di questi dispositivi, che agiscono come meccanismi di pompaggio passivo. Questo effetto si riscontra anche nei minuscoli capillari delle piante, dove il trasferimento dell'acqua avviene grazie ad una combinazione di pressione capillare ed evaporazione naturale.

Sebbene attualmente esistano dispositivi idroelettrici, c’è pochissima comprensione funzionale delle condizioni fisiche e dei fenomeni che governano la produzione di energia ad alta tensione su scala nanometrica. È una lacuna informativa, dice Giulia Tagliabue, responsabile del Laboratorio di Nanoscienze Tecnologie Energetiche (L.Net) presso la Facoltà di Ingegneria e il dottorando Tariq Anwar voleva ricoprirlo. Hanno sfruttato una combinazione di esperimenti e modellazione multifisica per caratterizzare i flussi di fluidi, i flussi di ioni e gli effetti elettrostatici risultanti dalle interazioni solido-liquido, con l'obiettivo di migliorare i dispositivi ad alta tensione.

“Grazie alla nostra nuova piattaforma altamente controllata, questo è il primo studio a quantificare questi fenomeni fotovoltaici evidenziando l'importanza delle diverse interazioni interfacciali. Ma nel processo, abbiamo anche raggiunto una scoperta chiave: che i dispositivi fotovoltaici possono funzionare su larga scala .” ampio intervallo di salinità, che contraddice la precedente comprensione secondo cui per ottenere le migliori prestazioni è necessaria acqua ad elevata purezza”, afferma Tagliabue.

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Lo studio LNET ha Pubblicato di recente In un dispositivo di stampa di riviste cellulari.

Schema di un sistema ad alta tensione azionato dall'evaporazione © Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA

Un modello di rivelatore multifisico

Il dispositivo dei ricercatori rappresenta la prima applicazione idroelettrica di una tecnica chiamata litografia di nanosfere colloidali, che ha permesso loro di creare una rete esagonale di nanopilastri di silicio distanziati con precisione. La spaziatura tra i nanopilastri ha creato canali ideali per l'evaporazione dei campioni liquidi e può essere regolata con precisione per comprendere meglio gli effetti del confinamento del liquido e l'area di contatto solido/liquido.

“Nella maggior parte dei sistemi fluidi contenenti soluzioni saline, è presente un numero uguale di ioni positivi e negativi. Tuttavia, quando si confina il fluido in un nanocanale, rimarranno solo gli ioni con polarità opposta alla carica superficiale”, spiega Anwar. “Ciò significa che se permetti al liquido di fluire attraverso il nanocanale, genererai una corrente e una tensione”.

«Ciò è dovuto alla nostra fondamentale scoperta che l’equilibrio chimico della carica superficiale del nanodispositivo può essere sfruttato per estendere il funzionamento dei dispositivi idroelettrici tramite un salinometro», aggiunge Tagliabue. “In effetti, man mano che la concentrazione di ioni liquidi aumenta, aumenta anche la carica superficiale del nanodispositivo. Di conseguenza, possiamo utilizzare canali di fluido più grandi mentre lavoriamo con liquidi a concentrazione più elevata. Ciò rende più semplice fabbricare dispositivi da utilizzare con acqua di rubinetto o acqua di mare.” “Al contrario della sola acqua pura.”

Immagine al microscopio elettronico a scansione di nanotubi di silicio © Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA

Acqua, acqua ovunque

Poiché l’evaporazione può avvenire in modo continuo in un’ampia gamma di temperature e umidità – e anche di notte – ci sono molte interessanti applicazioni potenziali per dispositivi ad alta tensione più efficienti. I ricercatori sperano di esplorare questa possibilità con il sostegno del Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica Inizia la borsa di studioche mira a sviluppare “un paradigma completamente nuovo per il recupero del calore di scarto e la generazione di energia rinnovabile su larga e piccola scala”, compreso un prototipo in condizioni reali sul Lago di Ginevra.

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E poiché i dispositivi ad alta tensione possono teoricamente essere alimentati ovunque ci sia liquido – o anche umidità, come il sudore – potrebbero anche essere utilizzati per alimentare sensori per dispositivi connessi, dalle smart TV ai dispositivi indossabili per la salute e il fitness. Grazie all'esperienza di LNET nei sistemi di raccolta e stoccaggio dell'energia fotovoltaica, Tagliabue è anche interessato a scoprire come gli effetti della luce e del fototermico possono essere utilizzati per controllare le cariche superficiali e i tassi di evaporazione nei sistemi ad alta tensione.

Infine, i ricercatori vedono anche importanti sinergie tra i sistemi ad alta tensione e la produzione di acqua pulita.

“L'evaporazione naturale viene utilizzata per avviare i processi di desalinizzazione, in cui l'acqua dolce può essere raccolta dall'acqua salata condensando il vapore generato dalla superficie evaporante. Ora, puoi immaginare di utilizzare un sistema ad alta tensione per produrre acqua pulita e sfruttare allo stesso tempo l'elettricità tempo”, spiega Anwar.

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