HydroVoltaics – Catturare l’elettricità dall’evaporazione

Nuove ricerche mostrano che dispositivi su scala nanometrica possono essere usati per raccogliere elettricità dall’evaporazione di fluidi, rivelando un grande potenziale energetico che non è ancora stato adeguatamente sfruttato.

L’evaporazione è un processo naturale. In termini semplici, è una forma di vaporizzazione che avviene sulla superficie di un liquido mentre si trasforma in gas. È presente ovunque intorno a noi, ma non vi prestiamo davvero attenzione. 

Curiosamente, circa la metà dell’energia solare che raggiunge la Terra alimenta i processi evaporativi. L’evaporazione, che consente uno scambio continuo di energia nel ciclo globale dell’acqua, è una fonte di energia rinnovabile attualmente non sfruttata, secondo lo studio.

L’acqua, disponibile in abbondanza poiché copre oltre il 70% della superficie del nostro pianeta, contiene tonnellate di energia sotto forma di energia chimica, termica e cinetica, ma ne viene sfruttata poco. Per quanto riguarda il potenziale totale di generazione di energia della evaporazione naturale da laghi e serbatoi, gli Stati Uniti hanno da soli un potenziale stimato di 325 GW. Questo rappresenta oltre il 69% del tasso di produzione di energia elettrica degli USA nel 2015, osserva lo studio.

Pertanto, negli ultimi anni i ricercatori hanno lavorato per sfruttare il potenziale energetico dell’evaporazione. Questo viene esplorato attraverso molti dispositivi, come generatori autoalimentati, sistemi ibridi e dispositivi tandem. La ricerca nel tempo ha attirato molta attenzione sui dispositivi idrovoltaici guidati dall’evaporazione, soprattutto grazie ai progressi nei nanomateriali e nella nanotecnologia.

Per questo, entriamo nell’effetto HV, che consente ai materiali nanostrutturati di generare elettricità in interazione con l’acqua. L’acqua può essere qualsiasi cosa, da gocce, umidità e liquido fino all’evaporazione. Quindi, nell’effetto HV, l’evaporazione produce un flusso costante all’interno dei nano-canali di questi dispositivi. Questo effetto è osservato anche nei microcapillari delle piante, dove il trasporto dell’acqua avviene grazie a una combinazione di pressione capillare ed evaporazione naturale.

Quattro meccanismi sono principalmente considerati responsabili di questo effetto HV: streaming, pseudo-streaming, diffusione del gradiente ionico e effetto di trascinamento elettronico. L’effetto idrovoltaico potenzialmente estende la capacità tecnica di raccogliere energia dall’acqua e consente la creazione di dispositivi autoalimentati. 

Ora, i ricercatori dell’università pubblica svizzera EPFL (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) hanno ricevuto finanziamenti dalla Swiss National Science Foundation (SNSF) tramite il Korean-Swiss Science and Technology Cooperation Fund e la Swiss Government Excellence Fellowship. Le strutture sperimentali dell’EPFL, il Centro Interdisciplinare per la Microscopia Elettronica (CIME) e il Center for MicroNanoTechnology (CMi), sono coinvolti anche nella raccolta di energia dall’evaporazione di fluidi che contengono concentrazioni più elevate di ioni rispetto a quelle presenti nell’acqua purificata.

Il fatto è che i dispositivi idrovoltaici esistono già, tuttavia si conosce poco dei fenomeni fisici che governano la produzione di HV su scala nanometrica. C’è anche una carenza di comprensione funzionale delle condizioni, cosa che questo studio intende correggere. 

Pubblicato all’inizio di questo mese sulla rivista Cell Press Device, il studio del Laboratorio di Nanoscienza per la Tecnologia dell’Energia (LNET) intitolato “Fenomeni interfaciali dipendenti dalla salinità per l’ottimizzazione dei dispositivi idrovoltaici” è condotto da Giulia Tagliabue e Tarique Anwar.

Lo studio ha sperimentato la modellazione multifisica per specificare i flussi di fluido, i flussi ionici e gli effetti elettrostatici dovuti alle interazioni solido-liquido, con l’obiettivo di ottimizzare i dispositivi HV.

Secondo Tagliabue, responsabile del LNET presso la School of Engineering, questo è il primo studio che quantifica i fenomeni idrovoltaici grazie alla loro nuova e altamente controllata piattaforma. Questi fenomeni idrovoltaici sono misurati evidenziando l’importanza di varie interazioni interfaciali. 

Durante questo processo, il team ha scoperto una importante scoperta sulla capacità dei dispositivi idrovoltaici di operare su un’ampia gamma di salinità. Questo, ha osservato Tagliabue, contraddice la credenza precedente che fosse necessaria acqua altamente purificata per prestazioni ottimali.

Il modello multifisico

Recentemente, gli studi sul flusso di fluido guidato dall’evaporazione in materiali microstrutturati su scala nanometrica hanno dato origine a un nuovo modo di generare energia rinnovabile o verde, che consiste nel convertire l’energia termica in energia elettrica attraverso un percorso elettrocinético. I miglioramenti relativi alle prestazioni sono guidati dall’ottimizzazione dei contatti degli elettrodi. 

Tuttavia, la mancanza di strumenti di modellazione e le domande riguardanti le caratteristiche geometriche e chimiche del sistema limitano sia le prestazioni sia l’ambito di applicazione di questa tecnologia emergente, i dispositivi idrovoltaici (HV), per la generazione di energia sostenibile.

Così, i ricercatori hanno sviluppato un modello quantitativo multifisico e hanno sfruttato array ordinati di nanopili di silicio (Si NPs) che hanno portato in superficie ciò che era precedentemente inesplorato. In particolare, lo studio ha scoperto che la carica superficiale, dipendente dalla concentrazione ionica insieme alla mobilità degli ioni, è ciò che dirige molteplici massimi locali nella tensione a circuito aperto (VOC), con condizioni ideali che divergono dalle tradizionali aspettative di bassa concentrazione.

Inoltre, le asimmetrie strutturali possono generare un potenziale elettrostatico che migliora le prestazioni HV. Inoltre, lo studio conferma l’adsorbimento ionico e l’inversione di carica per molti cationi monovalenti, consentendo a tali dispositivi di operare anche a concentrazioni elevate. 

Il dispositivo HV sviluppato dal team di ricerca consiste in array regolari di Si NPs su scala centimetri incisi su una wafer di Si di tipo p. Il team ha poi utilizzato una combinazione di litografia colloidale e incisione chimica assistita da metallo (MACE) per fissare il passo dell’array esagonale di NPs variando la loro lunghezza e diametro nell’intervallo di 1,23–4,4 μm e 420–560 nm, rispettivamente. Modificando le dimensioni dei Si NPs, sono stati in grado di controllare direttamente la geometria dei nano-canali e l’area di superficie solido-liquido secondo necessità.

Il dispositivo idrovoltaico in questo studio rappresenta la prima applicazione della tecnica di litografia colloidale a nanosphera, consentendo ai ricercatori di formare una rete esagonale di Si NPs posizionati con precisione. Gli spazi tra questi nanopili di silicio hanno creato il passaggio perfetto per l’evaporazione dei fluidi. Questo può essere ulteriormente regolato finemente per comprendere meglio gli effetti del confinamento del fluido e dell’area di contatto solido/liquido.

Anwar, dottorando presso LNET, ha spiegato che la maggior parte dei sistemi fluidici con soluzioni saline hanno un numero uguale di ioni positivi e negativi. Ma confinando il fluido in un nano-canale, possiamo ottenere solo quegli “ioni con polarità opposta a quella della carica superficiale”. Quindi, consentendo al liquido di fluire attraverso il nano-canale, possiamo generare corrente e tensioni, ha aggiunto.

Comprendere i meccanismi fondamentali della generazione di tensione e corrente nei dispositivi HV richiede al contempo il controllo delle proprietà dell’interfaccia solido-liquido e del nanoconfinamento del liquido, ovvero la geometria del nano-canale.

In conclusione, lo studio ha mostrato una alta densità di potenza di 8 μW/cm² a 0,1 M, utilizzando una potenza comparabile a quella dei dispositivi alimentati con acqua di rubinetto ma con “due ordini di grandezza di concentrazioni più alte” rispetto a quanto mai riportato prima. Questo apre la strada a una più ampia applicabilità dei sistemi HV su diverse scale di salinità, con condizioni operative ottimali dettate da fenomeni interfaciali distinti.

Come ha spiegato Tagliabue, l’equilibrio chimico della carica superficiale del nanodispositivo può essere sfruttato per estendere il funzionamento dei dispositivi HV lungo la scala di salinità. Quindi, man mano che la concentrazione di ioni nel fluido aumenta, anche la carica superficiale del nanodispositivo aumenta, consentendo di “utilizzare canali fluidi più grandi lavorando con fluidi ad alta concentrazione. Questo rende più facile fabbricare dispositivi per l’uso con acqua di rubinetto o acqua di mare, anziché solo acqua purificata,” ha detto Tagliabue.

In questo modo, lo studio sostiene di offrire una comprensione chiave e uno strumento di progettazione per ottimizzare i dispositivi idrovoltaici guidati dall’evaporazione (EDHV), indicando al contempo opportunità di applicazione più ampie per questi sistemi autoalimentati.

Lo studio afferma che la metrica di prestazione della loro tensione a circuito aperto (VOC) può essere aumentata migliorando il tasso di evaporazione. A seconda della carica superficiale e della geometria del nanoconfinamento, la VOC può raddoppiare con un aumento di 5 volte del tasso di evaporazione, il che significa che la potenza può aumentare fino a quattro volte. 

Ciò è principalmente dovuto al miglioramento della corrente di streaming, ma richiederà una conoscenza più approfondita della dinamica dei fluidi in questi dispositivi per essere confermato.

Entusiasmanti potenziali applicazioni dei dispositivi idrovoltaici

Il vapore acqueo è ovunque sulla Terra, offrendo così una grande opportunità, soprattutto per la generazione di elettricità e per alleviare la carenza di energia globale. Per questo, i dispositivi idrovoltaici possono essere usati per estrarre energia attraverso diversi metodi, come la costruzione di una struttura asimmetrica. 

Tuttavia, la generazione di energia dipende dalle proprietà del liquido, inclusi il suo tipo e la concentrazione di soluto nella soluzione. Questo perché la creazione di energia elettrica nell’effetto HV è collegata all’accumulo di portatori di carica causato da un doppio strato elettrico (EDL) che si forma sull’interfaccia liquido-solido.

Nonostante queste sfide, i dispositivi idrovoltaici hanno un enorme potenziale grazie all’evaporazione continua su un’ampia gamma di temperature e umidità. Questo rende i dispositivi HV pronti per molte applicazioni entusiasmanti, tra cui l’alimentazione elettrica, la generazione di energia in tutte le condizioni atmosferiche e la raccolta e desalinizzazione dell’acqua.

Lo studio ha scoperto che per condizioni di acqua dolce, la sovrapposizione dell’EDL è un requisito che può essere realizzato con una bassa carica superficiale totale e un alto confinamento, cioè una piccola dimensione del nano-canale. Tuttavia, aumentare l’area superficiale o la carica rende fattibili dimensioni di nano-canale più grandi. 

In condizioni di acqua di mare, è possibile creare un’ottimale con un grande diametro dei pori (valori Dp >100 nm) controllando la carica superficiale, il che suggerisce che il confinamento geometrico su scala nanometrica può essere evitato, semplificando la scalabilità di questi dispositivi. 

Nel frattempo, a livelli di alta salinità, l’inversione di carica può essere utilizzata minimizzando l’interfaccia solido-liquido e la carica superficiale iniziale. Tuttavia, il funzionamento a tali alte concentrazioni e a lungo termine può rappresentare una sfida a causa dell’adsorbimento ionico e della cristallizzazione del sale. Ciò è dovuto al suo effetto diretto sulle proprietà della superficie e della geometria della nanostruttura. Pertanto, i ricercatori hanno scritto che è necessaria un’ulteriore indagine.

I ricercatori dello studio sperano anche di esplorare il diverso potenziale del dispositivo, con il supporto delle organizzazioni che hanno concesso loro i finanziamenti, per comprendere e analizzare questa tecnologia emergente. 

Una delle organizzazioni di supporto, la Swiss National Science Foundation (SNSF), incaricata dal governo federale, mira a sfruttare l’energia dall’evaporazione e a sviluppare un “nuovo paradigma per il recupero del calore di scarto e la generazione di energia rinnovabile su larga e piccola scala.” Questo include un modulo prototipo in situazioni reali sul più grande lago dell’Europa centrale, il Lago di Ginevra, per raccogliere dati sulla generazione idrovoltaica nei laghi alpini.

La SNSF sostiene da molti anni progetti legati all’energia per contribuire allo sviluppo di conoscenze e competenze per usi futuri. Questi progetti coprono produzione, stoccaggio, distribuzione e gestione dell’energia, nonché l’efficienza.

Tagliabue ha ricevuto il SNSF Starting Grant nel 2022, con un finanziamento di CHF 1,8 milioni distribuiti in cinque anni. Questo finanziamento aiuta il team a “espandere i nostri sforzi verso la nanoingegneria dei dispositivi idrovoltaici per la generazione di energia rinnovabile,” ha detto Tagliabue.

Ha detto al momento:

“Stabilendo la necessaria comprensione fondamentale, gli strumenti di modellazione e le strategie ingegneristiche, questo progetto fornirà un contributo dirompente per rendere l’evaporazione una fonte di energia rinnovabile diffusa, sicura e continua sia su larga che su piccola scala.” 

I dispositivi HV offrono una grande opportunità, e poiché possono operare ovunque ci sia liquido, anche il sudore, hanno anche potenziale per l’uso in sensori. Questo copre tutto, dai dispositivi indossabili per salute e fitness ai televisori intelligenti.

Tagliabue è inoltre interessata a capire in che modo la luce e gli effetti fototermici (relativi alla radiazione elettromagnetica) potrebbero essere usati per controllare le cariche superficiali e i tassi di evaporazione nei sistemi HV.

Infine, i ricercatori vedono una simbiosi tra i sistemi HV e la generazione di acqua pulita, con Anwar che sottolinea come l’evaporazione naturale sia usata nei processi di desalinizzazione. Condensare il vapore prodotto da una superficie evaporativa consente di raccogliere acqua dolce dall’acqua salata.

“Ora, si potrebbe immaginare di usare un sistema HV sia per produrre acqua pulita sia per sfruttare l’elettricità allo stesso tempo.” 

– Anwar

Conclusione 

Con i problemi energetici e ambientali in costante aumento, c’è bisogno di soluzioni efficienti, flessibili ed ecologiche. Qui, i dispositivi idrovoltaici possono essere di grande aiuto poiché generano energia elettrica utilizzando l’evaporazione dell’acqua onnipresente. 

Tuttavia, questa innovazione non arriva senza le sue sfide. Esse si manifestano come una potenza generata insufficiente per i requisiti delle applicazioni pratiche, incertezze sulla stabilità e durabilità in condizioni reali, e ostacoli nel raggiungere applicazioni integrate su larga scala. Nonostante questi ostacoli, la tecnologia e la ricerca sui materiali e dispositivi idrovolcanici sono ancora nella loro infanzia, e c’è bisogno di tecnologie più avanzate e di ulteriori ricerche per il loro ampio utilizzo.

In sintesi, i dispositivi idrovoltaici hanno grandi vantaggi che non possono essere ignorati. In contrasto con soluzioni complesse, costose e dannose per l’ambiente, questo rappresenta un metodo nuovo e promettente per la generazione di energia in futuro. E con il tempo, ci si può aspettare che i dispositivi idrovoltaici diventino un’industria valida e ampia.

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