Creato nanodispositivo che potrebbe essere impiegato per estrarre energia dai flussi ionici naturali ai confini tra acqua di mare e acqua dolce
Esiste una fonte di energia in gran parte non sfruttata lungo le coste del mondo: la differenza di salinità tra l’acqua di mare e l’acqua dolce. Un nuovo nanodispositivo può sfruttare questa differenza per generare energia. L’inizio della corrente elettronica in una membrana di silicio drogato indotta dall’interazione di Coulomb a lungo raggio degli ioni che fluiscono attraverso un canale nanofluidico è stabilita da un approccio computazionale e analitico combinato basato sulla tecnica della funzione di Green e sul formalismo di trasporto di Boltzmann. Caratterizzata da una tensione a circuito aperto e da una corrente di cortocircuito, la resistenza elettronica di Coulomb fornisce un nuovo paradigma per la raccolta di energia.
Un team di ricercatori dell’University of Illinois Urbana-Champaign ha riportato sulla rivista Nano Energy (1) il progetto di un dispositivo nanofluidico in grado di convertire il flusso ionico in energia elettrica utilizzabile. Il team ritiene che il loro dispositivo potrebbe essere utilizzato per estrarre energia dai flussi ionici naturali ai confini tra acqua di mare e acqua dolce.
«Anche se il nostro progetto è ancora un concetto in questa fase, è abbastanza versatile e mostra già un forte potenziale per le applicazioni energetiche», ha affermato il dottor Jean-Pierre Leburton (2), professore di ingegneria elettrica e informatica dell'Università e responsabile del progetto. «Tutto è iniziato con una domanda accademica: 'Può un dispositivo a stato solido su scala nanometrica estrarre energia dal flusso ionico?' – ma il nostro design ha superato le nostre aspettative e ci ha sorpreso in molti modi».
Quando due corpi d’acqua con diversa salinità si incontrano, come nel caso in cui un fiume sfocia nell’oceano, le molecole di sale fluiscono naturalmente da una concentrazione più alta a una concentrazione più bassa. L'energia di questi flussi può essere raccolta perché sono costituiti da particelle elettricamente cariche chiamate ioni che si formano dal sale disciolto.
Il gruppo di Leburton ha progettato un dispositivo semiconduttore su scala nanometrica che sfrutta un fenomeno chiamato “trascinamento di Coulomb” tra gli ioni che fluiscono e le cariche elettriche nel dispositivo. Quando gli ioni fluiscono attraverso uno stretto canale nel dispositivo, le forze elettriche fanno sì che le cariche del dispositivo si spostino da un lato all'altro creando tensione e corrente elettrica.
I ricercatori hanno scoperto due comportamenti sorprendenti durante la simulazione del loro dispositivo. In primo luogo, mentre si aspettavano che la resistenza di Coulomb si verificasse principalmente attraverso la forza di attrazione tra cariche elettriche opposte, le simulazioni indicavano che il dispositivo funziona altrettanto bene se le forze elettriche sono repulsive. Sia gli ioni caricati positivamente che quelli negativamente contribuiscono alla resistenza.
«Altrettanto degno di nota, il nostro studio indica che esiste un effetto di amplificazione», ha detto la dottoressa Mingye Irene Xiong (3), una studentessa laureata del gruppo di Leburton e autrice principale dello studio. «Poiché gli ioni in movimento sono così massicci rispetto alle cariche del dispositivo, gli ioni impartiscono grandi quantità di slancio alle cariche, amplificando la corrente sottostante».
I ricercatori hanno anche scoperto che questi effetti sono indipendenti dalla configurazione specifica del canale e dalla scelta dei materiali, a condizione che il diametro del canale sia sufficientemente stretto da garantire la vicinanza tra gli ioni e le cariche.
I ricercatori sono in procinto di brevettare le loro scoperte e stanno studiando come gli array di questi dispositivi potrebbero adattarsi alla produzione pratica di energia.
«Crediamo che la densità di potenza di un array di dispositivi potrebbe eguagliare o superare quella delle celle solari», ha affermato il professor Leburton. «E questo per non parlare delle potenziali applicazioni in altri campi come il rilevamento biomedico e la nanofluidica».
Riferimenti:
(1) Ionic coulomb drag in nanofluidic semiconductor channels for energy harvest
Descrizione foto: Nanofluidic device. - Credit: The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Nanofluidic device generates power with saltwater