Wetenschappers tonen aan dat elektriciteit kan worden verkregen uit water met een hoge zoutconcentratie

Grafisch abstract. Credit: Celrapporten Fysische Wetenschap (2022). DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.101065

Het bedenken van hernieuwbare energiebronnen is een belangrijke zorg voor wetenschappers, politieke leiders en gemeenschappen nu de wereld de realiteit van klimaatverandering en de beperkingen van de natuurlijke hulpbronnen van de aarde onder ogen ziet. In een opwindende nieuwe ontwikkeling hebben wetenschappers van het Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek (SANKEN) van de Universiteit van Osaka aangetoond dat elektriciteit kan worden verkregen uit water met een hoge zoutconcentratie, zoals zeewater.

Sommige mensen beschouwen ‘osmose’ als een wetenschappelijke term die ze moesten leren in de biologieles op de basisschool. De spontane beweging van opgeloste ionen of moleculen door een semi-permeabel membraan wanneer er een concentratieverschil tussen de twee zijden is, kan echter worden benut om elektriciteit op te wekken. En gelukkig voor ons zijn de oceanen gevuld met zout water, dat kan worden gebruikt om de steeds groter wordende vraag naar energie van de mensheid te helpen verlichten. Om praktisch te zijn, moet dit membraan echter erg dun en zeer selectief zijn om ionen – maar geen watermoleculen – door te laten.

Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van de Osaka University conventionele halfgeleiderverwerkingstechnologie gebruikt om de structuur en rangschikking van nanoporiën in een ultradun siliciummembraan nauwkeurig te regelen. Omdat deze fabricagemethoden al tientallen jaren bestaan, werden de kosten en ontwerpcomplexiteit geminimaliseerd. Bovendien konden de grootte en locatie van de poriën nauwkeurig worden gecontroleerd.

“Telkens wanneer er sprake is van een niet-evenwichtssituatie, zoals twee watertanks met verschillende zoutconcentraties, is er vaak een mogelijkheid om deze thermodynamische energie om te zetten in elektriciteit”, zegt eerste auteur Makusu Tsutsui.

Met behulp van een enkele nanoporie van 20 nm bereikte het apparaat een piekvermogensefficiëntie van 400 kW/m². De onderzoekers ontdekten echter dat het toevoegen van te veel nanoporiën aan het membraan de kracht die kon worden geëxtraheerd, verminderde. De optimale configuratie van poriën, 100 nm grote nanoporiën gerangschikt in een raster met een tussenruimte van één micrometer, leverde een osmotische vermogensdichtheid op van 100 W/m².

Dit was een belangrijke stap om te begrijpen hoe nanopore-apparaten kunnen worden ontworpen voor de beste stroomopwekking. “Veel andere onderzoeksgroepen beloven milieuvriendelijke ‘groene’ energie, maar we gaan nog een stap verder en stellen ‘blauwe’ energie voor op basis van oceaanwater die op industriële schaal kan worden toegepast”, zegt senior auteur Tomoji Kawai. De studie is gepubliceerd in Celrapporten Fysische Wetenschapen toekomstige projecten kunnen manieren omvatten om de apparaten op te schalen voor tests in de echte wereld.