Effetto idrovoltaico: chiavi di lettura per l’utilizzazione
I ricercatori della Scuola politecnica federale di Losanna (EPFL) hanno scoperto che i dispositivi su scala nanometrica che sfruttano l’effetto idroelettrico possono raccogliere elettricità dall’evaporazione di fluidi con concentrazioni di ioni più elevate rispetto all’acqua purificata, evidenziando un vasto potenziale energetico non sfruttato.
L’evaporazione è un processo naturale così onnipresente che la maggior parte di noi lo dà per scontato. In effetti, circa la metà dell’energia solare che raggiunge la terra alimenta i processi di evaporazione. Dal 2017, i ricercatori stanno lavorando per sfruttare il potenziale energetico dell’evaporazione attraverso l’effetto idrovoltaico (HV), che consente di raccogliere elettricità quando il fluido viene fatto passare sulla superficie carica di un dispositivo su scala nanometrica. L’evaporazione stabilisce un flusso continuo all’interno dei nanocanali di questi dispositivi, che agiscono come meccanismi di pompaggio passivo. Questo effetto si osserva anche nei microcapillari delle piante, dove il trasporto dell’acqua avviene grazie a una combinazione di pressione capillare ed evaporazione naturale.
Sebbene attualmente esistano dispositivi idrovoltaici, la comprensione funzionale delle condizioni e dei fenomeni fisici che regolano la produzione di energia HV su scala nanometrica è molto scarsa. È una lacuna informativa che Giulia Tagliabue, responsabile del Laboratory of Nanoscience for Energy Technology (LNET) della School of Engineering, e lo studente di dottorato Tarique Anwar volevano risolvere. Hanno sfruttato una combinazione di esperimenti e modelli multifisici per caratterizzare i flussi di fluidi, i flussi di ioni e gli effetti elettrostatici dovuti alle interazioni solido-liquido, con l’obiettivo di ottimizzare i dispositivi HV.
“Grazie alla nostra piattaforma innovativa e ad alto controllo, questo è il primo studio che quantifica i fenomeni idrovoltaici evidenziando l’importanza delle varie interazioni interfacciali. Ma nel processo abbiamo anche fatto una scoperta importante: i dispositivi idrovoltaici possono funzionare in un’ampia gamma di salinità, contraddicendo le precedenti conoscenze che richiedevano acqua altamente purificata per ottenere le migliori prestazioni”, afferma Tagliabue.
Lo studio di LNET è stato recentemente pubblicato sulla rivista Device di Cell Press.
© Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA
Un modello multifisico innovativo
Il dispositivo proposto dai ricercatori rappresenta la prima applicazione idroelettrica di una tecnica chiamata litografia colloidale a nanosfere, che ha permesso di creare una rete esagonale di nanopilastri di silicio distanziati con precisione. Gli spazi tra i nanopilastri creano i canali perfetti per l’evaporazione dei campioni di fluido e possono essere regolati con precisione per comprendere meglio gli effetti del confinamento del fluido e dell’area di contatto solido/liquido.
“Nella maggior parte dei sistemi fluidici contenenti soluzioni saline, si ha un numero uguale di ioni positivi e negativi. Tuttavia, quando si confina il liquido in un nanocanale, rimangono solo gli ioni con una polarità opposta a quella della carica superficiale”, spiega Anwar. “Questo significa che se si lascia scorrere il liquido attraverso il nanocanale, si generano corrente e tensioni”.
“Questo si ricollega alla nostra principale scoperta che l’equilibrio chimico per la carica superficiale del nanodispositivo può essere sfruttato per estendere il funzionamento dei dispositivi idrovoltaici su tutta la scala di salinità”, aggiunge Tagliabue. “Infatti, all’aumentare della concentrazione di ioni nel fluido, aumenta anche la carica superficiale del nanodispositivo. Di conseguenza, possiamo utilizzare canali di fluido più grandi pur lavorando con fluidi a più alta concentrazione. In questo modo è più facile fabbricare dispositivi da utilizzare con acqua di rubinetto o di mare, anziché solo con acqua purificata”.
Acqua, acqua ovunque
Poiché l’evaporazione può avvenire continuamente in un’ampia gamma di temperature e umidità – e persino di notte – ci sono molte applicazioni potenziali interessanti per dispositivi HV più efficienti. I ricercatori sperano di esplorare questo potenziale con il sostegno di una sovvenzione iniziale della Fondazione Nazionale Svizzera per la Scienza, che mira a sviluppare “un paradigma completamente nuovo per il recupero del calore di scarto e la generazione di energia rinnovabile su scala grande e piccola”, compreso un modulo prototipo in condizioni reali sul Lago di Ginevra.
Poiché i dispositivi HV potrebbero teoricamente funzionare ovunque ci sia del liquido – o persino dell’umidità, come il sudore – potrebbero anche essere utilizzati per alimentare i sensori dei dispositivi connessi, dalle smart TV agli indossabili per la salute e il fitness. Grazie all’esperienza di LNET nei sistemi di raccolta e immagazzinamento dell’energia luminosa, Tagliabue è anche interessata a vedere come la luce e gli effetti fototermici potrebbero essere utilizzati per controllare le cariche superficiali e i tassi di evaporazione nei sistemi HV.
Infine, i ricercatori considerano importanti le sinergie tra i sistemi HV e la produzione di acqua pulita.
“L’evaporazione naturale viene utilizzata per guidare i processi di desalinizzazione, in quanto l’acqua dolce può essere raccolta dall’acqua salata condensando il vapore prodotto da una superficie evaporativa. Ora, si potrebbe immaginare di utilizzare un sistema idrovoltaico sia per produrre acqua pulita che per sfruttare l’elettricità allo stesso tempo“, spiega Anwar.
Fonti: Nanodevices can produce energy from evaporating tap or seawater – EPFL Salinity-dependent interfacial phenomena toward hydrovoltaic device optimization: Device (cell.com)
Foto di copertina: SciTechDaily.com
