Podría decirse que el uso de la energía eólica e hidráulica por parte del ser humano viene de lejos, ya fuese en molinos de viento o fluviales destinados a la molienda del grano. En ambos casos se trataba de energía cinética y ambas aplicaciones han sobrevivido hasta nuestros días, aunque hoy los molinos y las turbinas “muelan” electrones en lugar de cereales. Paralelamente, llegaría la energía fotovoltaica, que en este caso convierte la radiación solar en electricidad por medio de células fotosensibles. En ese segundo capítulo, en el que se prescinde del uso de turbinas, entra la energía hidrovoltaica que abordaremos en este artículo.
Es de dominio público que el vapor del agua puede utilizarse para impulsar turbinas, pero el agua también contiene iones y partículas cargadas a escala molecular. Sin embargo, hasta hace poco, este motor energético presente en la naturaleza carecía de mecanismos técnicos eficaces para su aprovechamiento directo y continuado.
La clave reside en las interacciones a escala nanométrica entre los fluidos y superficies estructuradas diseñadas para captar los iones presentes en el líquido. Y ese es el dispositivo que han desarrollado en los laboratorios de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), una tecnología que se suma a la generación de electricidad por medio de las gotas de lluvia que abordamos recientemente en este artículo.
La energía hidrovoltaica convierte directamente el movimiento y la evaporación del agua en electricidad utilizando materiales a nanoescala. A diferencia de la hidroeléctrica tradicional, que necesita que el agua caiga por gravedad para mover turbinas mecánicas, esta tecnología funciona a escala molecular aprovechando las corrientes eléctricas que se generan de forma natural cuando un líquido fluye por superficies microscópicas.
La energía hidrovoltaica convierte directamente el movimiento y la evaporación del agua en electricidad utilizando materiales a nanoescala.
El principio físico se basa en la interacción entre los iones del agua (partículas cargadas) y una superficie sólida. Cuando el líquido entra en contacto con el canal microscópico, los iones de signo opuesto se acumulan en la pared formando una “doble capa eléctrica” (EDL, por sus siglas en inglés).
Al avanzar el agua por el canal, impulsada por la evaporación o por la capilaridad, arrastra consigo estos iones móviles. Este movimiento rompe el equilibrio eléctrico y genera una corriente y una diferencia de potencial de forma espontánea.
Dado que la evaporación es un proceso espontáneo que ocurre siempre que existan condiciones de humedad y temperatura ambiente, esta tecnología permite obtener energía de una forma descentralizada.
Dado que la evaporación es un proceso espontáneo que ocurre siempre que existan condiciones de humedad y temperatura ambiente, esta tecnología permite obtener energía de una forma descentralizada, aunque, como veremos, no exenta de inconvenientes.
Hasta la fecha, uno de los principales límites de los dispositivos hidrovoltaicos experimentales era su incapacidad para mantener una generación eléctrica constante. La mayoría de los prototipos previos dependían de ciclos intermitentes de humectación y secado, ya que la acumulación de sales o la saturación de las cargas en el canal neutralizaban el efecto electrocinético en poco tiempo e interrumpían la corriente.
Para solventar este problema, el equipo de investigación liderado por la profesora Giulia Tagliabue en el Laboratory of Nanoscience for Energy Technology (LNET) de la EPFL ha diseñado un nanodispositivo capaz de producir electricidad en régimen estacionario y de manera continua.
El chip de la EPFL funciona capilarmente, de manera similar a como los árboles transportan el agua desde las raíces hasta las hojas.
El chip de la EPFL funciona capilarmente, de manera similar a como los árboles transportan el agua desde las raíces hasta las hojas. El dispositivo integra una red hexagonal de nanopilares de silicio cuyos espacios intermedios forman los canales microscópicos (a escala nanométrica) que aprovechan el efecto capilar para succionar el líquido de forma autónoma, sin necesidad de bombas mecánicas.
Una vez que el agua salada entra en el chip, avanza en una sola dirección hacia el extremo opuesto, donde se evapora de manera continua al entrar en contacto con el aire. Esta evaporación constante actúa como un motor térmico natural que mantiene el agua fluyendo de forma ininterrumpida, asegurando un arrastre continuo de partículas cargadas e iones para generar electricidad de forma constante.
El principal avance de la EPFL se cifra en dar solución a uno de los problemas recurrentes de los prototipos anteriores: las cargas del líquido neutralizan la carga de la pared del canal, por lo que el efecto eléctrico se anula.
Para evitarlo, los científicos han recubierto el interior de los nanopilares con una capa invisible de un material aislante de alta densidad (un óxido dieléctrico). Esta capa actúa como un estabilizador que mantiene una densidad de carga superficial tan alta que el agua corriente no puede neutralizarla. Además, el calor y la luz no se limitan a acelerar la evaporación, también controlan activamente el movimiento de los iones y el flujo de electrones en el silicio, aumentando la generación eléctrica.
Con este diseño han logrado el equilibrio idóneo: el agua fluye con facilidad y, al mismo tiempo, arrastra la máxima cantidad de partículas cargadas. De este modo, el chip genera electricidad de forma continua e ininterrumpida.
Dado que el dispositivo opera con flujos a nanoescala, el sistema puede integrarse en circuitos impresos o microsensores ambientales. Al funcionar de forma autónoma aprovechando la evaporación natural del agua, esta tecnología abre la posibilidad de alimentar dispositivos de edge computing (computación periférica) y sensores de monitorización sin necesidad de recurrir a baterías químicas convencionales.
Eso sí, conviene aclarar que, tal como sucede con la triboelectricidad, la energía hidrovoltaica no está destinada por ahora a iluminar nuestras ciudades ni alimentar centros de datos, pero quién sabe si en un futuro permitirá abastecer de energía a todos esos pequeños sensores y dispositivos de bajo consumo que ayudan a monitorizar ecosistemas o infraestructuras en zonas de difícil acceso.
Fuentes:
David es periodista especializado en innovación. Desde sus primeros tiempos como analista de telefonía móvil hasta su faceta de Country Manager de Terraview, una startup de IA aplicada a viticultura, ha estado apegado a la innovación y las nuevas tecnologías.
Es colaborador de El Confidencial y en medios culturales como Frontera D y El Estado Mental, siempre desde la convicción de que lo humano y lo tecnológico pueden (y deben) ir de la mano.