Un minuscolo dispositivo che utilizza il sale per generare energia pulita

Fonte: stock_colors/iStock

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Un nuovo dispositivo più piccolo di un capello umano può generare elettricità dalla differenza di salinità tra l’acqua di mare e quella dolce. Questa potrebbe essere una nuova fonte di energia pulita lungo le coste del mondo.

Un team di ricercatori dell'Università Urbana-Champaign dell'Illinois ha riportato sulla rivista Nano Energy il progetto di un dispositivo in grado di convertire il flusso di ioni salini in energia elettrica. Il dispositivo è realizzato con materiali semiconduttori su scala nanometrica e funziona utilizzando un fenomeno chiamato “trascinamento di Coulomb”. Il team ritiene che il loro dispositivo potrebbe essere utilizzato per raccogliere energia dai gradienti salini naturali ai confini tra acqua di mare e acqua dolce.

Il leader del progetto, Jean-Pierre Leburton, professore di ingegneria elettrica e informatica, ha affermato che il loro design è ancora un concetto in questa fase, ma è molto versatile e mostra un grande potenziale per le applicazioni energetiche. Ha detto che hanno iniziato con una domanda accademica: "Un dispositivo a stato solido su scala nanometrica può estrarre energia dal flusso ionico?" – ma il loro design li ha sorpresi in molti modi.

Quando l’acqua di mare e l’acqua dolce si incontrano, come alla foce di un fiume, le molecole di sale si spostano naturalmente da una concentrazione più alta a una concentrazione più bassa. Questo movimento può essere utilizzato per generare elettricità perché le molecole di sale sono costituite da particelle caricate elettricamente chiamate ioni.

Crediti: Grainger College of Engineering presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign

Il gruppo di Leburton ha progettato un dispositivo che ha uno stretto canale attraverso il quale scorrono gli ioni. Le forze elettriche tra gli ioni e le cariche nel dispositivo fanno sì che le cariche si spostino da un lato all'altro creando tensione e corrente elettrica.

L'autore principale dello studio, Mingye Xiong, uno studente laureato del gruppo di Leburton, ha affermato di aver scoperto due comportamenti inaspettati durante la simulazione del loro dispositivo. Ha detto che hanno scoperto che il dispositivo funzionava ugualmente bene sia che le forze elettriche fossero attrattive o repulsive. Ha anche affermato che sia gli ioni positivi che quelli negativi hanno contribuito al trascinamento.

Xiong ha anche detto che c'era un effetto di amplificazione. Ha spiegato che gli ioni erano molto più pesanti delle cariche nel dispositivo, quindi trasferivano molto slancio alle cariche, aumentando la corrente sottostante.

I ricercatori hanno anche scoperto che questi effetti non dipendevano dalla forma specifica del canale o dalla scelta dei materiali, purché il canale fosse sufficientemente stretto da garantire la vicinanza tra gli ioni e le cariche.

I ricercatori stanno brevettando le loro scoperte e stanno studiando quanti dispositivi possono essere collegati per produrre più energia.

Leburton ha affermato di ritenere che la densità di potenza di un array di dispositivi possa eguagliare o superare quella delle celle solari. Ha inoltre menzionato le potenziali applicazioni in altri campi come il rilevamento biomedico e la nanofluidica.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nano Energy

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 combinato computazionale e analitico 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. Inoltre, il nostro modello prevede un’amplificazione della corrente di trascinamento ionico a causa del grande trasferimento di quantità di moto dagli ioni pesanti ai portatori di carica nel silicio, che si ottiene sia per gli anioni che per i cationi che fluiscono nel nanocanale indipendentemente dal tipo di drogante nel semiconduttore. L'analisi indica la versatilità di questo effetto rispetto alla natura dell'elettrolita e dei materiali semiconduttori, fornendo un'adeguata messa a punto delle loro strutture e configurazioni di progettazione.