Energia z różnicy zasolenia
Zasada działania jest stosunkowo prosta. Gdy po dwóch stronach specjalnej membrany znajdzie się woda słodka i słona, jony soli (np. sodu i chloru) naturalnie dążą do wyrównania stężeń, przepływając przez mikroskopijne pory. Ten ruch ładunków elektrycznych można przekształcić w prąd. Teoretyczny potencjał jest olbrzymi, wszak szacuje się, że samo ujście Renu mogłoby zasilić setki tysięcy gospodarstw domowych. W praktyce dotychczasowe membrany były albo zbyt wolne w transporcie jonów, albo za mało selektywne, pozwalając przepływać niewłaściwym jonom, co obniżało sprawność całego procesu. To fundamentalne wyzwanie przez długi czas blokowało rozwój tej technologii.
Czytaj też: Ta cząsteczka magazynuje energię przez lata. Sensacyjne odkrycie amerykańskich naukowców
Zamiast projektować kolejne syntetyczne polimery, zespół pod kierunkiem Aleksandry Radenovic z Laboratorium Biologii Nanoskalowej sięgnął po rozwiązania sprawdzone przez ewolucję. Naukowcy stworzyli membranę z precyzyjnie ułożonymi nanoporami, które następnie pokryli dwuwarstwą lipidową, czyli strukturą identyczną jak ta budująca błony komórkowe. Kluczowy okazał się efekt tzw. smarowania hydracyjnego. Cienka warstwa wody związana z lipidami działa jak naturalny smar, zmniejszając tjonów o ścianki porów. Dzięki temu jony płyną znacznie swobodniej, a membrana zachowuje wysoką selektywność.
Nasza praca łączy mocne strony dwóch głównych podejść do pozyskiwania energii osmotycznej: membran polimerowych, które inspirują naszą architekturę o wysokiej porowatości; oraz urządzeń nanofluidycznych, których używamy do definiowania silnie naładowanych nanoporów – relacjonuje Radenovic
Wydajność godna uwagi
Prototypowy układ z tysiącem nanoporów pokrytych lipidami osiągnął gęstość mocy na poziomie około 15 watów na metr kwadratowy. To wynik dwu-, a nawet trzykrotnie lepszy od uzyskiwany przy użyciu konwencjonalnych membran polimerowych w podobnych, laboratoryjnych warunkach symulujących naturalne zasolenie. Co istotne, odkryty mechanizm ma charakter uniwersalny. Teoretyczne modele sugerują, że po optymalizacji geometrii porów i zwiększeniu ich gęstości, wydajność mogłaby wzrosnąć do nawet 51,4 kilowata na metr kwadratowy. To wartość, która każe na poważnie przemyśleć przyszłość tej technologii.
Czytaj też: Parowanie jeszcze nigdy nie było tak elektryzujące. Oto przełomowy sposób pozyskiwania energii!
Pokazując, jak precyzyjna kontrola nad geometrią nanoporów i właściwościami powierzchni może fundamentalnie zmienić transport jonów, nasze badanie przenosi badania nad energią niebieską poza testowanie wydajności i wprowadza je w prawdziwą erę projektowania – dodaje Tzu-Heng Chen, współautor badania
Choć głównym celem badań było pozyskiwanie energii, odkryta zasada znajduje znacznie szersze zastosowanie. Zwiększona efektywność transportu jonów przez membrany może zrewolucjonizować procesy odsalania wody morskiej czy usuwania zanieczyszczeń. Potencjał widać także w medycynie, np. w zaawansowanych systemach dializ. Ale przed zespołem stoi teraz prawdziwe wyzwanie: sprawdzenie trwałości i stabilności takich membran w warunkach długotrwałej, przemysłowej eksploatacji oraz opracowanie metod taniego i powtarzalnego ich wytwarzania na dużą skalę. Jeśli te przeszkody uda się pokonać, energia z miejsca, gdzie rzeka spotyka morze, może wreszcie przestać być tylko ciekawostką laboratoryjną.