Rio desaguando no mar forma uma bateria natural de íons de sódio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/10/2023

O gerador é muito simples: O único fator crucial é a dimensão do canal por onde os íons devem fluir.
[Imagem: UIUC]

Energia entrópica

Existe uma fonte de energia limpa, renovável e praticamente inexplorada ao longo de todas as regiões costeiras do mundo: A diferença de salinidade entre a água do mar e a água doce dos rios que deságuam no mar.

Quando dois corpos de água com salinidades diferentes se encontram, as moléculas de sal fluem naturalmente de uma concentração mais alta para uma concentração mais baixa - e isso não é muito diferente do que acontece dentro de uma bateria de íons de lítio.

A energia desses fluxos pode ser colhida porque consistem em partículas eletricamente carregadas, ou íons, que se formam a partir do sal dissolvido. Conhecida como "energia entrópica", essa bateria em potencial pode alcançar até 2,2 kJ por litro de água doce. Ou seja, encontre o local onde um rio ou córrego deságua no mar e você tem uma bateria de íons de sódio feita pela própria natureza.

Infelizmente essa bateria natural não tem eletrodos de onde você possa drenar a eletricidade, ou seja, ela não vem pronta para uso. E as tentativas para extrair eletricidade da diferença de salinidade entre rios e oceanos têm-se mostrado um desafio difícil de vencer.

Mas um novo dispositivo nanofluídico trouxe novas esperanças de converter o fluxo iônico da energia entrópica em energia elétrica utilizável.

Mingye Xiong e colegas da Universidade de Illinois, nos EUA, projetaram uma membrana semicondutora em nanoescala que aproveita um fenômeno chamado "arrasto de Coulomb" entre o fluxo de íons e de cargas elétricas. Quando os íons fluem através de um canal estreito no dispositivo, as forças elétricas fazem com que as cargas do dispositivo se movam de um lado para o outro, criando tensão e corrente elétrica. Aí é só plugar os eletrodos e a "bateria ideal" virou uma bateria real.

Princípio de funcionamento da bateria entrópica.
[Imagem: Mingye Xiong et al. - 10.1016/j.nanoen.2023.108860]

Superior a células solares

Os pesquisadores encontraram dois comportamentos surpreendentes quando simularam seu dispositivo. Primeiro, embora esperassem que o arrasto de Coulomb ocorresse principalmente através da força atrativa entre cargas elétricas opostas, as simulações indicaram que a bateria funciona igualmente bem se as forças elétricas forem repulsivas - tanto os íons carregados positiva quanto negativamente contribuem para o arrasto.

"Igualmente digno de nota, nosso estudo indica que há um efeito de amplificação," disse Xiong. "Como os íons em movimento são tão massivos em comparação com as cargas do dispositivo, os íons transmitem grandes quantidades de impulso às cargas, amplificando a corrente subjacente."

O segundo comportamento inesperado é que esses efeitos são independentes da configuração específica do canal, bem como dos materiais para a construção do dispositivo, desde que o diâmetro do canal seja estreito o suficiente para garantir a proximidade entre os íons e as cargas elétricas.

Os primeiros cálculos indicam que a densidade de potência de um conjunto desses dispositivos iônicos pode igualar ou exceder a das células solares.

"Embora nosso projeto ainda seja um conceito neste estágio, ele é bastante versátil e já mostra um forte potencial para aplicações de energia," disse o professor Jean-Pierre Leburton, coordenador da equipe. "Tudo começou com uma questão acadêmica - 'Pode um dispositivo de estado sólido em nanoescala extrair energia de um fluxo iônico?' - mas nosso projeto superou nossas expectativas e nos surpreendeu em muitos aspectos."

Mais tópicos