De flesta förnybara energiteknologier är väderberoende. Vindparker kan bara fungera när det blåser, och solkraftverk är beroende av solljus. Forskare vid EPFL arbetar med en metod för att fånga en energikälla som ständigt är tillgänglig vid flodmynningar:osmotisk kraft, även känd som blå energi.

Osmos är en naturlig process där molekyler migrerar från en koncentrerad till en mer utspädd lösning över ett halvgenomsläppligt membran för att balansera koncentrationerna. Vid flodmynningar, elektriskt laddade saltjoner rör sig från det salta havsvattnet till det färska flodvattnet. Tanken är att utnyttja detta fenomen för att generera kraft.

Forskare från EPFL:s Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN), som leds av professor Aleksandra Radenovic vid tekniska högskolan, har visat att produktion av kraft med osmos kan optimeras med hjälp av ljus. Återge de förhållanden som uppstår vid flodmynningar, de sken ljus på ett system som kombinerar vatten, salt och ett membran som bara är tre atomer tjockt för att generera mer elektricitet. Under påverkan av ljus, systemet producerar dubbelt så mycket ström som det gör i mörkret. Deras resultat har publicerats i Joule .

I ett 2016 -papper, ett team från LBEN visade för första gången att 2-D-membran representerade en potentiell revolution inom osmotisk kraftproduktion. Men vid den tiden, experimentet använde inte verkliga förhållanden.

Joner som passerar genom en nanopor

Tillägget av ljus innebär att tekniken har gått ett steg närmare den verkliga applikationen. Systemet omfattar två vätskefyllda fack, vid markant olika saltkoncentrationer, separeras av ett molybden -disulfid (MoS2) membran. I mitten av membranet finns en nanopor - ett litet hål mellan tre och tio nanometer (en miljonedel av en millimeter) i diameter.

Varje gång en saltjon passerar genom hålet från lösningen med hög till låg koncentration, en elektron överförs till en elektrod, som genererar en elektrisk ström.

Systemets potential för elproduktion beror på ett antal faktorer - inte minst själva membranet, som måste vara tunn för att generera maximal ström. Nanoporen måste också vara selektiv för att skapa en potentialskillnad (en spänning) mellan de två vätskorna, precis som i ett vanligt batteri. Nanoporen låter positivt laddade joner passera, samtidigt som man skjuter bort de flesta negativt laddade.

Systemet är fint balanserat. Nanoporen och membranet måste laddas högt, och flera identiskt stora nanoporer behövs, vilket är en tekniskt utmanande process.

Utnyttja kraften i solljus

Forskarna tog sig runt dessa två problem samtidigt med hjälp av lågintensivt laserljus. Ljus släpper in inbäddade elektroner och får dem att ackumuleras vid membranets yta, vilket ökar materialets ytladdning. Som ett resultat, nanoporen är mer selektiv och strömflödet ökar.

"Tagen tillsammans, dessa två effekter betyder att vi inte behöver oroa oss så mycket för nanoporernas storlek, "förklarar Martina Lihter, en forskare vid LBEN. "Det är goda nyheter för storskalig produktion av tekniken, eftersom hålen inte behöver vara perfekta och enhetliga. "

Enligt forskarna, ett system med speglar och linser kan användas för att rikta detta ljus mot membranen vid flodmynningar. Liknande system används i solfångare och koncentratorer - en teknik som redan används allmänt inom solceller. "Väsentligen, systemet kan generera osmotisk kraft dag och natt, "förklarar Michael Graf, huvudförfattaren till tidningen. "Produktionen skulle fördubblas under dagsljus."

Nästa steg

Forskare kommer nu att fortsätta sitt arbete genom att undersöka möjligheterna att skala upp produktionen av membranet, ta itu med en rad utmaningar som optimal porndensitet. Det finns fortfarande mycket att göra innan tekniken kan användas för verkliga applikationer. Till exempel, det ultratunna membranet måste stabiliseras mekaniskt. Detta kan göras genom att använda en kiselskiva som innehåller en tät uppsättning kiselnitridmembran, som är enkla och billiga att tillverka.

Denna forskning, ledd av LBEN, genomförs som en del av ett samarbete mellan två EPFL -laboratorier (LANES och LBEN) och forskare vid Institutionen för el- och datateknik, University of Illinois Urbana-Champaign.

Tillbaka 2016, forskare från LBEN rapporterade att, för första gången, de hade producerat osmotisk kraft över 2-D-membran som bara mätte tre atomer tjocka. Experimentet var en viktig demonstration av att nanomaterial verkligen kan representera en revolution inom detta område, med direkt tillämpning avsedd för förnybar energi och små, bärbara energikällor.

Just då, för att uppnå hög effektproduktion, forskarna var tvungna att arbeta i en alkalisk miljö, med höga pH -värden som ligger långt från de värden som finns i flodmynningar. Högt pH krävdes för att öka ytladdningen för MoS2 och för att förbättra osmotisk effekt.

Vid den här tiden, istället för att använda kemiska behandlingar, forskarna upptäckte att ljuset kunde spela den rollen, så att de kan verka under verkliga förhållanden.