Voorstanders van schone energie zullen binnenkort een nieuwe bron hebben om toe te voegen aan hun bestaande aanbod van zonne-energie, wind, en waterkracht:osmotisch vermogen. Of meer specifiek, energie opgewekt door een natuurlijk fenomeen dat optreedt wanneer zoet water via een membraan in contact komt met zeewater.

Onderzoekers van EPFL's Laboratory of Nanoscale Biology hebben een osmotisch energieopwekkingssysteem ontwikkeld dat ongekende opbrengsten oplevert. Hun innovatie ligt in een drie atomen dik membraan dat wordt gebruikt om de twee vloeistoffen te scheiden. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Natuur .

Het concept is vrij eenvoudig. Een semipermeabel membraan scheidt twee vloeistoffen met verschillende zoutconcentraties. Zoutionen reizen door het membraan totdat de zoutconcentraties in de twee vloeistoffen een evenwicht bereiken. Dat fenomeen is juist osmose.

Als het systeem wordt gebruikt met zeewater en zoet water, zoutionen in het zeewater gaan door het membraan in het zoete water totdat beide vloeistoffen dezelfde zoutconcentratie hebben. En aangezien een ion gewoon een atoom is met een elektrische lading, de beweging van de zoutionen kan worden benut om elektriciteit op te wekken.

Een 3 atomen dik, selectief membraan dat het werk doet

Het systeem van EPFL bestaat uit twee met vloeistof gevulde compartimenten, gescheiden door een dun membraan van molybdeendisulfide. Het membraan heeft een klein gaatje, of nanoporiën, waardoor zeewaterionen in het zoete water terechtkomen totdat de zoutconcentraties van de twee vloeistoffen gelijk zijn. Terwijl de ionen door de nanoporie gaan, hun elektronen worden overgebracht naar een elektrode - die wordt gebruikt om een ​​elektrische stroom op te wekken.

Dankzij zijn eigenschappen laat het membraan positief geladen ionen door, terwijl de meeste negatief geladen worden weggeduwd. Dat creëert spanning tussen de twee vloeistoffen terwijl de ene een positieve lading opbouwt en de andere een negatieve lading. Deze spanning zorgt ervoor dat de stroom die wordt gegenereerd door de overdracht van ionen vloeit.

"We moesten eerst de optimale grootte van de nanoporie fabriceren en vervolgens onderzoeken. Als deze te groot is, negatieve ionen kunnen passeren en de resulterende spanning zou te laag zijn. Als het te klein is, er kunnen niet genoeg ionen door en de stroom zou te zwak zijn, " zei Jiandong Feng, hoofdauteur van het onderzoek.

Wat het systeem van EPFL onderscheidt, is het membraan. In dit soort systemen de stroom neemt toe met een dunner membraan. En het membraan van EPFL is slechts een paar atomen dik. Het materiaal waarvan het is gemaakt - molybdeendisulfide - is ideaal voor het opwekken van een osmotische stroom. "Dit is de eerste keer dat een tweedimensionaal materiaal is gebruikt voor dit soort toepassingen, " zei Aleksandra Radenovic, hoofd van het laboratorium van Nanoscale Biology

Voeding van 50.000 spaarlampen met 1 m2 membraan

Het potentieel van het nieuwe systeem is enorm. Volgens hun berekeningen een membraan van 1 m² waarvan 30% van het oppervlak bedekt is met nanoporiën, zou 1 MW elektriciteit moeten kunnen produceren - of genoeg om 50, 000 standaard spaarlampen. En aangezien molybdeendisulfide (MoS2) gemakkelijk in de natuur wordt gevonden of kan worden gekweekt door chemische dampafzetting, het systeem kan mogelijk worden opgevoerd voor grootschalige energieopwekking. De grote uitdaging bij het opschalen van dit proces is het vinden van relatief uniforme poriën.

Tot nu, onderzoekers hebben gewerkt aan een membraan met een enkele nanoporie, om precies te begrijpen wat er aan de hand was. '' Vanuit een technisch perspectief, systeem met enkele nanoporiën is ideaal om ons fundamentele begrip van op membranen gebaseerde processen te vergroten en nuttige informatie te verschaffen voor commercialisering op industrieniveau'', zei Jiandong Feng.

De onderzoekers waren in staat om een ​​nanotransistor te laten werken op basis van de stroom die wordt gegenereerd door een enkele nanoporie en demonstreerden zo een zelfaangedreven nanosysteem. Laagvermogen enkellaags MoS2-transistors werden gefabriceerd in samenwerking met het team van Andreas Kis bij EPFL, terwijl moleculaire dynamica-simulaties werden uitgevoerd door medewerkers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign

Het potentieel van estuaria benutten

Het onderzoek van EPFL maakt deel uit van een groeiende trend. De afgelopen jaren, wetenschappers over de hele wereld hebben systemen ontwikkeld die gebruikmaken van osmotische kracht om elektriciteit te creëren. Er zijn proefprojecten gestart in onder meer Noorwegen, Nederland, Japan, en de Verenigde Staten om energie op te wekken in estuaria, waar rivieren in zee stromen. Voor nu, de membranen die in de meeste systemen worden gebruikt, zijn organisch en kwetsbaar, en lage opbrengsten opleveren. Sommige systemen maken gebruik van de beweging van water, in plaats van ionen, om turbines aan te drijven die op hun beurt elektriciteit produceren.

Zodra de systemen robuuster worden, osmotische kracht zou een grote rol kunnen spelen bij de opwekking van duurzame energie. Terwijl zonnepanelen voldoende zonlicht nodig hebben en windturbines voldoende wind, osmotische energie kan op elk moment van de dag of nacht worden geproduceerd - op voorwaarde dat er een estuarium in de buurt is.