Las superficies super-repelentes pueden generar energía



Los científicos sabían que podían generar electricidad haciendo correr agua salada a través de una superficie cargada eléctricamente. Pero nunca pudieron conseguir el proceso para hacer suficiente energía para ser útil. Ahora los ingenieros han encontrado una forma de hacerlo. Su truco: Haz que el agua fluya sobre esa superficie mucho más rápido. Lo lograron haciendo que la superficie fuera súper repelente al agua.


Las superficies super-repelentes pueden generar energía

Prab Bandaru es ingeniero mecánico y científico de materiales en la Universidad de California en San Diego. La innovación de su equipo surgió de la frustración. Ninguna de las otras cosas que intentaron había funcionado. Una "cosa del momento.... simplemente sucedió en el trabajo", dice riendo. Apenas fue planeado.

Los científicos describen una superficie que repele el agua como hidrofóbica (HY-droh-FOH-bik). El término viene de las palabras griegas para agua (hidro) y odio (fóbico). El equipo de UCSD describe el material que utiliza como superhidrofóbico.

Su nuevo sistema de energía comienza con sal de mesa o cloruro de sodio. Como su nombre indica, esta sal está hecha de átomos enlazados de sodio y cloro. Cuando los átomos reaccionan para producir sal, un electrón de un átomo de sodio se desprende y se une a un átomo de cloro. Esto convierte cada átomo neutro en un tipo de átomo cargado llamado ión. El átomo de sodio tiene ahora una carga eléctrica positiva. Las cargas opuestas se atraen. De modo que el ión sodio es ahora fuertemente atraído por el átomo de cloro, que ahora tiene una carga negativa.

Cuando la sal se disuelve en agua, las moléculas de agua hacen que se afloje la asociación entre los iones sodio y cloro. Como esta agua salada fluye sobre una superficie con una carga negativa, sus iones de sodio cargados positivamente se verán atraídos por ella y se ralentizarán. Mientras tanto, sus iones de cloro cargados negativamente seguirán fluyendo. Esto rompe el vínculo entre los dos átomos. Y eso libera la energía que había sido almacenada dentro de ella.

El reto era conseguir que el agua se moviera lo suficientemente rápido. "Cuando el cloro fluye rápidamente, entonces la velocidad relativa entre el sodio lento y el cloro rápido aumenta", explica Bandaru. Y eso aumentará la energía eléctrica que genera.

Este uso de una superficie súper repelente al agua para generar energía es "muy, muy emocionante", dice Daniel Tartakovsky. Es un ingeniero de la Universidad de Stanford que no participó en la investigación.


La innovación


Otros investigadores han tratado de utilizar la repelencia al agua para aumentar la producción de energía de un generador eléctrico de agua salada. Lo hicieron añadiendo pequeños surcos a la superficie. Cuando el agua fluía por las ranuras, se encontraba con menos fricción al viajar por el aire. Sin embargo, aunque el agua fluía más rápido, la producción de energía no aumentó mucho. Y eso, dice Bandaru, se debe a que el aire también redujo la exposición del agua a la superficie cargada negativamente.

Su equipo intentó diferentes maneras de sortear este problema. Intentaron hacer la superficie más porosa. Su idea era acelerar el flujo del agua proporcionando aún más aire en la superficie. "Estábamos en el laboratorio, pensando: "¿Por qué no funciona esto?", recuerda. "Entonces dijimos,'¿Por qué no ponemos líquido dentro de la superficie?'"

Era sólo una idea de lluvia de ideas. Los investigadores no habían hecho ningún cálculo para determinar si podría funcionar. Acaban de intentar reemplazar el aire en las ranuras de la superficie con aceite. Y funcionó! "Estábamos muy sorprendidos", dice Bandaru. "Tenemos un resultado muy, muy alto para el voltaje[eléctrico]." Para investigar si habían cometido algún error, Bandaru dice, rápidamente se dieron cuenta de que "'¡Tenemos que intentarlo de nuevo!'".

Lo hicieron varias veces más. Y cada vez, los resultados fueron los mismos. "Era reproducible", dice Bandaru. Esto les aseguró que su éxito inicial no fue un accidente. Más tarde, examinaron la física de la superficie llena de líquido. Recuerda Bandaru, "Fue uno de esos momentos en los que nos dimos cuenta de que "'Por supuesto que tenía que funcionar'".

Por qué funciona


Como el aire, el aceite repele el agua. Algunos aceites son mucho más hidrofóbicos que el aire - y pueden contener una carga negativa. El equipo de Bandaru analizó cinco aceites para descubrir cuál ofrecía la mejor mezcla de repelencia al agua y carga negativa. Otra ventaja de usar aceite: No se elimina cuando el agua fluye sobre ella porque una fuerza física conocida como tensión superficial la sujeta a las ranuras.

Las nuevas pruebas del equipo ofrecen una prueba de que el concepto funciona. Otros experimentos necesitarán probar qué tan bien podría funcionar a mayor escala - una que podría entregar una cantidad útil de electricidad.

Sin embargo, la técnica puede ser utilizada incluso en aplicaciones a pequeña escala. Por ejemplo, podría utilizarse como fuente de energía para ensayos "lab-on-a-chip". Aquí, dispositivos diminutos realizan pruebas en cantidades muy pequeñas de líquido, como una gota de agua o de sangre. A mayor escala, podría utilizarse para generar electricidad a partir de las olas del océano, o incluso utilizando los desechos que se mueven a través de las plantas de tratamiento de aguas. "No tiene que ser agua salada", explica Bandaru. "Tal vez haya aguas residuales que contengan iones. Mientras haya iones en el líquido, se puede usar este esquema para generar voltaje".

El uso de un líquido como el aceite para acelerar el flujo de agua y al mismo tiempo conducir la electricidad podría mejorar enormemente la eficiencia de tales sistemas de energía. "Si funciona", dice Tartakovsky, podría incluso ofrecer "un gran avance en la tecnología de las baterías".

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