El Laboratorio de Nanociencia y Tecnología Energética (LNET) de la Escuela de Ingeniería de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza desarrolló recientemente un dispositivo experimental de generación de nanoenergía que puede generar continuamente una corriente estable mediante el proceso de evaporación del agua de mar. Este dispositivo utiliza semiconductores de silicio como núcleo y logra una generación autónoma de energía regulando el movimiento de iones y electrones e impulsando la evaporación del agua de mar con la ayuda de la luz y el calor. Los investigadores dicen que se espera que este mecanismo abra nuevos caminos para la tecnología de recolección de energía ecológica. Los resultados relevantes se han publicado en la revista Nature Communications.
En su artículo, Giulia Tagliabue, líder del equipo de investigación, y Tarique Anwar, investigador, propusieron un "marco físico y experimental unificado" para los sistemas hidrovoltaicos impulsados por evaporación. La clave está en separar y controlar con precisión el proceso de interfaz. El proceso de interfaz aquí se refiere a la interacción entre diferentes estados de fase, como sólido, líquido, gas líquido, etc. El equipo de investigación espera utilizar este marco para convertir el proceso de evaporación en producción de energía eléctrica de manera más eficiente con la participación de la luz solar y la energía térmica.
Esta tecnología se basa en investigaciones anteriores de LNET sobre el "efecto hidrovoltaico". El llamado efecto hidrovoltaico significa que cuando el líquido fluye a través de la superficie de nanodispositivos cargados, puede inducir la generación de energía eléctrica. El nuevo dispositivo utiliza además los pequeños espacios entre los nanopilares de silicio dispuestos hexagonalmente para promover la evaporación del líquido y guiar el movimiento de los iones en el agua de mar en el proceso. Los investigadores señalaron que el calor y la luz siempre afectarán el rendimiento de los dispositivos hidrovoltaicos, y su avance esta vez es convertir estos efectos originalmente inevitables en ventajas de rendimiento por primera vez, utilizando agua de mar inagotable y relativamente respetuosa con el medio ambiente como medio energético.
Un avance conceptual importante en la investigación fue que el equipo descubrió que la generación mejorada de energía no era simplemente el resultado de la evaporación en sí. Debido a que el dispositivo utiliza material semiconductor de silicio, el calor aumenta la carga negativa en la superficie del semiconductor, mientras que la luz solar estimula la actividad electrónica en su interior. En otras palabras, la evaporación, los efectos térmicos y los efectos de la luz no son independientes entre sí, sino que forman un efecto sinérgico en el dispositivo para promover conjuntamente la mejora de la eficiencia de generación de energía.
Según el equipo de investigación, la ganancia provocada por este efecto de carga superficial es bastante significativa. Al introducir luz solar y calor, la producción de energía del dispositivo se puede aumentar hasta cinco veces. Tagliabue dijo que este efecto natural siempre ha existido, pero que son los primeros investigadores en explotarlo.
Desde el punto de vista del diseño estructural, este dispositivo de generación de energía por evaporación adopta una arquitectura de tres capas, que corresponde a tres procesos independientes de evaporación, transporte de iones y recolección de carga. La parte superior es la capa superficial de evaporación, la capa intermedia es responsable de la conducción de iones y la parte inferior es la matriz de nanopilares de silicio dieléctrico. Este diseño en capas no sólo ayuda a los investigadores a analizar y calibrar gradualmente el proceso y los resultados de cada etapa, sino que también mejora aún más el rendimiento general de generación de energía del dispositivo y revela más claramente cómo el calor y la luz inducen la generación de carga y promueven la migración de iones.
Además de las capacidades de generación de energía, esta tecnología también ofrece claras ventajas en términos de durabilidad. Los investigadores señalaron que el calor y la luz pueden hacer que el mecanismo hidrovoltaico se degrade, y los problemas de corrosión en ambientes con alto contenido de sal pueden exacerbar este proceso. Sin embargo, la superficie de los nanopilares de silicio del dispositivo está cubierta con una capa de óxido que permanece estable bajo la luz y el calor, evitando así reacciones químicas innecesarias y mejorando la confiabilidad del dispositivo en ambientes de agua de mar.
El equipo de investigación dijo que si las iteraciones posteriores van bien, se espera que este tipo de dispositivo hidrovoltaico proporcione soporte de energía continuo y autónomo para varias redes de sensores pequeñas y sin baterías en el futuro, siempre que haya luz solar, calor y agua disponibles para funcionar. Los posibles escenarios de aplicación incluyen sistemas de monitoreo ambiental, dispositivos de Internet de las cosas y tecnologías portátiles actuales y futuras. Los investigadores creen que si se puede poner en práctica una forma móvil y casi “gratuita” de obtener electricidad, el valor social que aportará será inconmensurable.