I fiumi potrebbero generare energia per migliaia di centrali nucleari, grazie a una nuova membrana “blu”
I sostenitori dell’energia verde potrebbero presto diventare blu. Una nuova membrana potrebbe sbloccare il potenziale dell ‘”energia blu”, che utilizza le differenze chimiche tra acqua dolce e salata per generare elettricità.
Se i ricercatori potessero, in modo conveniente, aumentare la dimensione della membrana grande quanto un francobollo, potrebbe fornire energia priva di carbonio a milioni di persone nelle nazioni costiere dove i fiumi di acqua dolce si incontrano con il mare.
“È impressionante”, afferma Hyung Gyu Park, un ingegnere meccanico presso la Pohang University of Science and Technology in Corea del Sud, che non era coinvolto nel lavoro. “Il nostro settore ha atteso questo successo per molti anni”.
La promessa dell’energia blu nasce dalla sua portata: i fiumi scaricano ogni anno circa 37.000 chilometri cubi di acqua dolce negli oceani. Questa intersezione tra acqua dolce e salata crea il potenziale per generare molta elettricità, 2,6 terawatt, secondo una stima recente, all’incirca la quantità che può essere generata da 2000 centrali nucleari.
Esistono diversi modi per generare energia da quel mixaggio. E un paio di centrali elettriche a energia blu sono state costruite. Ma il loro costo elevato ha impedito l’adozione diffusa. Tutti gli approcci di energia blu si basano sul fatto che i sali sono composti da ioni o sostanze chimiche che contengono una carica positiva o negativa. Nei solidi, le cariche positive e negative si attraggono, legando insieme gli ioni. (Il sale da tavola, per esempio, è un composto costituito da ioni di sodio caricati positivamente legati a ioni cloruro caricati negativamente.) In acqua, questi ioni si staccano e possono muoversi indipendentemente.
Pompando gli ioni positivi, come sodio o potassio, sull’altro lato di una membrana semipermeabile, i ricercatori possono creare due pozze d’acqua: una con una carica positiva e una con una carica negativa. Se poi immergono gli elettrodi nelle piscine e li collegano con un filo, gli elettroni fluiranno dal lato caricato negativamente al lato caricato positivamente, generando elettricità.
Nel 2013, i ricercatori francesi hanno realizzato proprio una tale membrana. Hanno usato un film ceramico di nitruro di silicio, comunemente usato nell’industria per l’elettronica, gli utensili da taglio e altri usi, trafitto da un singolo poro rivestito con un nanotubo di nitruro di boro (BNNT), un materiale studiato per l’uso in compositi ad alta resistenza. Poiché i BNNT sono fortemente caricati negativamente, il team francese sospettava che avrebbero impedito il passaggio attraverso la membrana di ioni caricati negativamente in acqua (poiché cariche elettriche simili si respingono). Il loro sospetto era giusto. Hanno scoperto che quando una membrana con un singolo BNNT veniva posizionata tra acqua dolce e salata, gli ioni positivi si aprivano dal lato salato al lato fresco, ma gli ioni con carica negativa venivano per lo più bloccati.
Lo squilibrio di carica tra i due lati era così forte che i ricercatori hanno stimato che un singolo metro quadrato di membrana, pieno di milioni di pori per centimetro quadrato, potesse generare circa 30 megawattora all’anno. È abbastanza per alimentare tre case.
Ma creare film di dimensioni anche di francobolli postali si è rivelato impossibile, perché nessuno ha capito come rendere tutti i BNNT lunghi e sottili allineati perpendicolarmente alla membrana. Fino ad ora.
Alla riunione semestrale della Materials Research Society qui ieri, Semih Cetindag, Ph.D. uno studente nel laboratorio dell’ingegnere meccanico Jerry Wei-Jen Shan della Rutgers University di Piscataway, nel New Jersey, ha riferito che il loro team ha ora violato il codice. I nanotubi erano facili. Cetindag afferma che il laboratorio li compra da un’azienda di approvvigionamento di prodotti chimici. Gli scienziati quindi li aggiungono a un precursore polimerico che si sviluppa in un film spesso 6,5 micron. Per orientare i tubi allineati in modo casuale, i ricercatori hanno voluto utilizzare un campo magnetico. Il problema: i BNNT non sono magnetici.
Quindi Cetindag ha dipinto i tubi caricati negativamente con un rivestimento caricato positivamente; le molecole che lo compongono erano troppo grandi per adattarsi ai BNNT e quindi lasciavano aperti i loro canali. Cetindag ha quindi aggiunto alla miscela particelle di ossido di ferro magnetico caricate negativamente, che si sono apposte sui rivestimenti caricati positivamente.
Ciò ha dato al team Rutgers la leva che stava cercando. Quando i ricercatori hanno applicato un campo magnetico, hanno potuto manovrare i tubi in modo che fossero maggiormente allineati attraverso il film polimerico. Hanno quindi applicato la luce ultravioletta per polimerizzare il polimero, bloccando tutto in posizione. Infine, il team ha utilizzato un raggio al plasma per incidere parte del materiale sulla superficie superiore e inferiore della membrana, garantendo che i tubi fossero aperti su entrambi i lati. La membrana finale conteneva circa 10 milioni di BNNT per centimetro cubo.
Quando i ricercatori hanno posizionato la loro membrana in una piccola nave che separava acqua dolce e salata, ha prodotto una potenza quattro volte maggiore per area rispetto all’esperimento BNNT del precedente team francese. Quella spinta di potere, dice Shan, è probabilmente perché i BNNT che hanno usato sono più stretti e quindi fanno un lavoro migliore escludendo gli ioni cloruro caricati negativamente.
E sospettano di poter fare ancora meglio. “Non stiamo sfruttando il pieno potenziale delle membrane”, afferma Cetindag. Questo perché solo il 2% dei BNNTS era effettivamente aperto su entrambi i lati della membrana dopo il trattamento al plasma. Ora, i ricercatori stanno cercando di aumentare il numero di pori aperti nei loro film, il che potrebbe un giorno dare una spinta a lungo cercata ai sostenitori dell’energia blu.
