Förespråkare av ren energi kommer snart att ha en ny källa att lägga till sitt befintliga utbud av solenergi, vind, och vattenkraft:osmotisk kraft. Eller mer specifikt, energi som genereras av ett naturfenomen som uppstår när sötvatten kommer i kontakt med havsvatten genom ett membran.

Forskare vid EPFL:s Laboratory of Nanoscale Biology har utvecklat ett osmotiskt kraftgenereringssystem som ger aldrig tidigare skådade utbyten. Deras innovation ligger i ett tre atoms tjockt membran som används för att separera de två vätskorna. Resultaten av deras forskning har publicerats i Natur .

Konceptet är ganska enkelt. Ett semipermeabelt membran separerar två vätskor med olika saltkoncentrationer. Saltjoner färdas genom membranet tills saltkoncentrationerna i de två vätskorna når jämvikt. Det fenomenet är just osmos.

Om systemet används med havsvatten och sötvatten, saltjoner i havsvattnet passerar genom membranet till sötvattnet tills båda vätskorna har samma saltkoncentration. Och eftersom en jon helt enkelt är en atom med en elektrisk laddning, rörelsen av saltjonerna kan utnyttjas för att generera elektricitet.

A 3 atomer tjock, selektivt membran som gör jobbet

EPFL:s system består av två vätskefyllda fack åtskilda av ett tunt membran av molybdendisulfid. Membranet har ett litet hål, eller nanopore, genom vilka havsvattenjoner passerar in i sötvattnet tills de två vätskornas saltkoncentrationer är lika. När jonerna passerar genom nanoporen, deras elektroner överförs till en elektrod - vilket är det som används för att generera en elektrisk ström.

Tack vare sina egenskaper tillåter membranet positivt laddade joner att passera igenom, samtidigt som de trycker bort de flesta negativt laddade. Det skapar spänning mellan de två vätskorna när den ena bygger upp en positiv laddning och den andra en negativ laddning. Denna spänning är det som får strömmen som genereras av överföringen av joner att flyta.

"Vi var tvungna att först tillverka och sedan undersöka den optimala storleken på nanoporen. Om den är för stor, negativa joner kan passera och den resulterande spänningen blir för låg. Om den är för liten, inte tillräckligt med joner kan passera och strömmen skulle vara för svag, sa Jiandong Feng, huvudförfattare till forskningen.

Det som skiljer EPFL:s system åt är dess membran. I dessa typer av system, strömmen ökar med ett tunnare membran. Och EPFL:s membran är bara några atomer tjockt. Materialet den är gjord av - molybdendisulfid - är idealisk för att generera en osmotisk ström. "Detta är första gången ett tvådimensionellt material har använts för denna typ av applikation, sa Aleksandra Radenovic, chef för laboratoriet för biologi i nanoskala

Drivs av 50 000 energisnåla glödlampor med 1m2 membran

Potentialen i det nya systemet är enorm. Enligt deras beräkningar, ett 1m² membran med 30 % av sin yta täckt av nanoporer borde kunna producera 1MW el - eller tillräckligt för att driva 50, 000 vanliga energibesparande glödlampor. Och eftersom molybdendisulfid (MoS2) lätt finns i naturen eller kan odlas genom kemisk ångavsättning, systemet skulle möjligen kunna utökas för storskalig elproduktion. Den stora utmaningen med att skala upp denna process är att ta reda på hur man gör relativt enhetliga porer.

Tills nu, forskare har arbetat på ett membran med en enda nanopor, för att förstå exakt vad som pågick. '' Ur ett ingenjörsperspektiv, single nanopore system är idealiskt för att främja vår grundläggande förståelse av membranbaserade processer och tillhandahålla användbar information för kommersialisering på industrinivå'', sa Jiandong Feng.

Forskarna kunde köra en nanotransistor från strömmen som genererades av en enda nanopor och visade på så sätt ett självförsörjande nanosystem. Lågeffekt enkellagers MoS2-transistorer tillverkades i samarbete med Andreas Kis team på EPFL, medan simuleringar av molekylär dynamik utfördes av medarbetare vid University of Illinois i Urbana-Champaign

Utnyttja potentialen i flodmynningar

EPFL:s forskning är en del av en växande trend. Under de senaste åren, forskare runt om i världen har utvecklat system som utnyttjar osmotisk kraft för att skapa elektricitet. Pilotprojekt har dykt upp på platser som Norge, Nederländerna, Japan, och USA för att generera energi vid flodmynningar, där floder rinner ut i havet. Tills vidare, membranen som används i de flesta system är organiska och ömtåliga, och ger låga skördar. Vissa system använder vattenrörelser, snarare än joner, att driva turbiner som i sin tur producerar el.

När väl systemen blir mer robusta, osmotisk kraft skulle kunna spela en stor roll i produktionen av förnybar energi. Medan solpaneler kräver tillräckligt med solljus och vindkraftverk tillräcklig vind, osmotisk energi kan produceras nästan när som helst på dygnet - förutsatt att det finns en flodmynning i närheten.