Noua sursă de energie electrică prin nanotuburi?

Apa sărată transformată într-o sursă de electricitate de către nanotuburi

Cu cât este mai mic, cu atât este mai mare efectul! Acest paradox tocmai a fost observat de o echipă de la Universitatea din Lyon și Institutul Néel (CNRS) din Grenoble. În revista Nature din 28 februarie, acești cercetători arată că găurirea unei găuri de câteva zeci de nanometri printr-o membrană impermeabilă poate avea efecte neașteptate și importante asupra transportului speciilor chimice în acest mini-canal.
În special, scufundarea acestui dispozitiv într-un rezervor de apă sărată care conține clorură de potasiu face posibilă separarea foarte eficientă a sarcinilor pozitive (legate de potasiu) și negative (legate de clor) de ambele părți ale peretelui. Un curent electric poate fi apoi recuperat.

„Dacă extrapolăm acest rezultat la o membrană străpunsă cu miliarde de astfel de tuburi pe centimetru pătrat, obținem puteri electrice de 100 până la 1 de ori mai mari decât cu dispozitivele actuale de energie osmotică”, estimează Lydéric Bocquet, profesor la CNRS și la Institutul Lumière Matière din Lyon. Suficient pentru a recupera energia din apa de mare sau mlaștinile sărate.

De fapt, acești cercetători nu își străpung direct membrana de nitrură de siliciu impermeabilă. Folosesc un nanotub, pe care îl introduc într-o gaură mai mare înainte de a „sigila” golul cu o garnitură de carbon.

"Este foarte greu de făcut! Și rezultatul este foarte frumos", estimează Loïc Auvray, directorul laboratorului de materii și sisteme complexe de la Universitatea din Paris-VII. Această delicată tehnică a fost inițial menită să construiască un dispozitiv care să permită studierea fenomenelor în joc într-un singur canal mic.

ÎNREGISTRARE DE Brevete

„Experimentele anterioare au arătat efecte surprinzătoare cu mai multe nanotuburi de carbon, cum ar fi transportul rapid al gazelor. Dar, pentru a înțelege pe deplin ce se întâmplă, a trebuit să lucrăm pe un singur tub, spune Lydéric Bocquet. Una dintre speranțele noastre este că ecuațiile mecanicii fluidelor pe care le cunoaștem sunt diferite de aceste nanoscale. "

Primele teste cu tuburi de carbon eșuează. Cercetătorii folosesc apoi nitrură de bor, pentru care funcționează procesul. Și asta este surpriza. „Am fost nedumeriți și a fost nevoie de mult timp pentru a ne verifica măsurătorile”, își amintește Lydéric Bocquet, care crede că a înțeles acum de ce încărcăturile electrice circulă atât de bine.

În prezența apei, pereții nitrurii de bor se acoperă cu sarcini electrice negative, favorizând drenarea de apă a potasiilor încărcați pozitiv. Grosimea mică a întregului, un micrometru, înseamnă că gradientul de concentrație dintre cele două rezervoare este mai mare și, prin urmare, efectul este mai spectaculos.

Echipa, care a solicitat un brevet, intenționează acum să fabrice un perete traversat de mai multe canale nanometrice; ceea ce necesită un nou proces. Poate că va putea apoi să aprindă un bec numai dintr-o baie de apă sărată. Pentru Lydéric Bocquet, "trebuie să găsim căi alternative în termeni de energie. Și este cu atât mai stimulant să lucrăm pe căi neexplorate".

David Larousserie

obținem puteri electrice de 100 până la 1 de ori mai mari decât cu dispozitivele actuale de energie osmotică

Dacă extrapolăm acest rezultat la o membrană străpunsă cu miliarde de astfel de tuburi pe centimetru pătrat,

chatelot16 a scris:sistemul de osmoză nu este perfect, s-ar putea face ceva mai bine ... dar de 100 sau 1000 de ori mai mult depășim maximul teoretic și putem face o mișcare perpetuă

cu 1000 de ori mai mult decât osmoza, alimentăm în mare măsură o instalație de desalinizare și începem din nou!

Electricitate în armonie cu natura

Astăzi este inaugurată la Tofte, Norvegia, prima centrală electrică din lume care va produce curent electric profitând de căsătoria dintre apa sărată și apa dulce, conform principiului osmozei. Raport cu privire la malurile fiordului Osloford și detalii despre această nouă sursă de energie regenerabilă și 100% curată pentru mediu

....... Astăzi în Tofte, un cătun din Oslofjord situat la 58 km de capitala Norvegiei, prințesa Mette-Marti inaugurează prima centrală electrică din lume care profită de acest fenomen omniprezent de pe Pământ, în plante ca în corpul nostru.
.........

Având în vedere progresele tehnologice din anii 1990, a meritat să reexaminăm întrebarea ”, spune Stein Erik Skilhagen. Folosind materialele actuale (acetat de celuloză, polimeri sintetici), șeful secțiunii Osmosis Power de la Statkraft și colegii săi au fabricat membrane de înaltă performanță de 2 sau 3 W / m2. Este mult mai bine. Dar nu încă satisfăcător. „Bara de 6 W / m2 este esențială, analizează Gérald Pourcelly, directorul Institutului European al Membranelor, în revista Science & Vie. Am trece de la un experiment de laborator la o tehnologie care este probabil să fie competitivă ". Indiferent, inginerii norvegieni au decis să construiască o stație demonstrativă.

În Tofte, ansamblul se potrivește cu volumul unui apartament mare, foarte umed. La primul etaj, cele două accesuri de apă, sare și proaspete, acesta dintr-un lac din apropiere. Membranele, subțiri ca hârtia, sunt înfășurate în decupaje de 30 m2 în ceea ce arată ca șaizeci de canistre de gaz numite module. „În total avem 2000 m2 de membrană”, spune Stein Erik Skilhagen. Cele două tipuri de apă intră separat în module, sunt supuse procesului osmotic și cresc volumul la ieșirea apei sărate. Surplusul de lichid astfel „transferat” este apoi expulzat într-o mică turbină care se rotește în spatele unei ferestre. „Odată cu aceasta, vom produce 2 până la 3 kWh de energie electrică. Suficient pentru a funcționa ... un aparat de cafea. " Dar important este mai puțin în cantitate decât în ​​fezabilitate.

„Nimeni, până în prezent, nu a reușit să genereze energie electrică în condiții reale cu această metodă. Astăzi, presiunea este mare ", spune Stein Erik Skilhagen fără un joc de cuvinte. „Acum zece ani, Statkraft și-a asumat riscuri cu acest proiect estimat la 20-25 milioane de euro”. Mai ales că „Tofte este unul dintre cele mai proaste locuri din Norvegia; aici, apa dulce conține mici particule organice din agricultură. Dar dacă ideea funcționează aici, va fi aplicabilă peste tot ”. Aceste particule au o dimensiune de ordinul unui micron. Prin urmare, tehnicienii au trebuit să instaleze un sistem de filtre primare pentru a preveni înfundarea porilor membranelor. "Încă trebuie să le curățăm o dată pe zi, uneori cu clor, dar fără a afecta natura".

Inginerii Statkraft văd deja mai departe. Până în 2015, intenționează să dezvolte de această dată o „stație pilot” de 25 megawatt (MW), de 1000 de ori mai mare decât Tofte, care rămâne puțin în comparație cu o centrală de cărbune (1000 MW). . Pentru a face acest lucru, ar fi necesară utilizarea a 5 milioane m2 de membrană. Membrane pe care Stein Erik Skilhagen le lucrează pentru a le optimiza: „Simțim că avem toate elementele în mână. Dar, ca un puzzle, trebuie să găsiți combinația corectă de parametri de fabricație. În special în ceea ce privește fluxurile de difuzare ”.

Cercetătorii testează, de asemenea, materiale noi, asemenea straturilor de nanotuburi de carbon impregnate într-un polimer. Potrivit lui Stein Erik Skilhagen, comunitatea științifică este din ce în ce mai activă în acest domeniu, în special în Statele Unite, unde Oasys face progrese rapide. „Vom fi foarte urmăriți astăzi. Demonstrația noastră este probabil un eveniment declanșator în întreaga lume, până în Japonia, unde tehnologia este, de asemenea, dovedită. ”
...................

........
Prin urmare, nanotuburile Bore-Azot fac posibilă realizarea unei conversii extrem de eficiente a energiei conținute în gradienții salini în energie electrică utilizabilă direct. Extrapolând aceste rezultate la o scară mai mare, o membrană de 1 metru pătrat de nanotuburi de bor-azot ar avea o capacitate de aproximativ 4 kW și ar putea genera până la 30 MegaWatt-oră pe an. Aceste performanțe sunt cu trei ordine de mărime peste cele ale prototipurilor centralelor osmotice aflate în funcțiune astăzi. Cercetătorii doresc acum să studieze fabricarea membranelor compuse din nanotuburi Bore-Azot și să testeze performanța nanotuburilor cu diferite compoziții.

............

Nanotuburi pentru a profita la maximum de energia osmotică a estuarelor

Energie osmotică, știi? Desemnează energia care poate fi exploatată din diferența de salinitate dintre apa de mare și apa dulce, aceste două ape fiind separate de o membrană semipermeabilă. Experimentează. Conectați un rezervor de apă sărată și un rezervor de apă proaspătă prin membrane semipermeabile adecvate. Apoi este posibil să se producă electricitate, în două moduri diferite, din gradienți de sare. Primul exploatează diferența de presiune osmotică dintre cele două rezervoare, diferență care va face posibilă rotirea unei turbine. Al doilea este să folosiți numai membrane care să permită trecerea numai a ionilor. Înțelegem imediat că capacitatea teoretică a acestei energii osmotice concentrate la gurile râurilor este evident gigantică. Vorbim despre cel puțin 1 Terawat care ar fi astfel disponibil, sau echivalentul a 1.000 de reactoare nucleare. Da, dar acum, performanțele obținute de tehnologiile actuale care permit recuperarea acestei energii osmotice sunt încă foarte scăzute, de ordinul a 3 wați pe metru pătrat de membrană.



Diagrama schematică a experimentului: este studiat transportul osmotic al apei printr-un nanotub transforat Bore-Azot. Credite: Laurent Joly (ILM)

De aici și interesul muncii desfășurate de fizicieni de la Institutul Lumière Matière (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1) în colaborare cu Institutul Néel (CNRS) și ale cărui rezultate sunt publicate în numărul din Nature datat 28 februarie. Inspirați de biologie și de cercetarea canalelor celulare, au realizat o primă: măsurarea fluxului osmotic printr-un singur nanotub. membrana fiind străpunsă cu o singură gaură prin care cercetătorii au trecut un nanotub Bore-Azot cu un diametru exterior de câteva zeci de nanometri. Așa că au folosit vârful unui microscop de tunelare pentru a pune capăt acestei fapte. Apoi a rămas să se scufunde doi electrozi în lichid de ambele părți ale nanotubului pentru a măsura curentul electric care trece prin membrană. Aceasta este de ordinul nano-amperului, adică de peste o mie de ori mai mare decât cea produsă de celelalte metode actuale utilizate pentru a încerca să recupereze această energie osmotică.

Dacă extrapolăm rezultatele obținute de acești cercetători la o scară mai mare, o membrană de 1 m2 de nanotuburi Bore-Azot ar avea o capacitate de aproximativ 4 KW și ar putea genera până la 30 MW oră pe an. Performanță cu trei ordine de mărime mai bună decât cea obținută de prototipurile centralelor osmotice în prezent în serviciu. Acum, cercetătorii vor reflecta asupra fabricării membranelor alcătuite din acești nanotuburi de sondă-azot și vor testa, în paralel, performanța nanotuburilor cu compoziție diferită.