A folyók több ezer atomerőmű teljesítményével felérő energiát termelhetnek, köszönhetően egy új "kék" membránnak

Jó hír a zöld energia szószólóinak, hogy egy új membrán hamarosan felszabadíthatja a "kék energia" lehetőségeit, amely az édes- és...

Jó hír a zöld energia szószólóinak, hogy egy új membrán hamarosan felszabadíthatja a "kék energia" lehetőségeit, amely az édes- és a sós víz kémiai különbségeit használja fel az áramtermeléshez.

Ha a kutatók megfizethető módon képesek felnagyítani a postabélyeg-méretű membránt, az szén-dioxid-mentes energiát nyújthat több millió embernek azokban a part menti országokban, ahol az édesvízi folyók találkoznak a tengerrel.

"Lenyűgöző," - mondta Hyung Gyu Park, a dél-koreai Pohang Tudományos és Műszaki Egyetem gépészmérnöke, aki nem vett részt a munkában. "Területünk sok éven át várt erre a sikerre."

A kék energia ígérete a méretezhetőségéből fakad. A folyók évente mintegy 37000 köbkilométer édesvizet szállítanak az óceánokba. Az édes- és a sós víz ezen kereszteződése sok villamos energia - egy friss becslés szerint 2,6 terawatt - termelésére ad lehetőséget, nagyjából annyit, amennyit 2000 atomerőmű képes előállítani.

Ebből a keveredésből többféle módon lehet energiát termelni, és már épült pár kék energia erőmű, de magas költségük megakadályozta a széleskörű elterjedésüket. Minden kék energiás megközelítés azon a tényen alapul, hogy a sók olyan ionokból vagy vegyi anyagokból állnak, amelyek pozitív vagy negatív töltést hordoznak.

Szilárd anyagokban a pozitív és a negatív töltések vonzzák egymást, összekapcsolják az ionokat. (Az asztali só például egy olyan vegyület, amely negatív töltésű kloridionokhoz kötött pozitív töltésű nátriumionokból áll.) Vízben ezek az ionok leválnak és önállóan mozoghatnak.

A pozitív ionok - például nátrium vagy kálium - pumpálásával a féligáteresztő membrán másik oldalára a kutatók két vízkészletet hozhatnak létre: az egyiket pozitív, a másikat pedig negatív töltéssel. Ha ezután elektródákat süllyesztenek a medencékbe, és vezetékkel kötik össze őket, akkor az elektronok a negatív töltésűről a pozitív töltésű oldalra áramlanak, ezzel áramot termelve.

2013-ban francia kutatók éppen ilyen membránt készítettek. Szilícium-nitridből készült kerámia fóliát használtak - amelyet az iparban gyakran alkalmaznak elektronikához, forgácsoló szerszámokhoz és más célokra -, amelyeket egy bór-nitrid nanocsövekkel (BNNT) bélelt egyetlen pórussal átszúrnak, ezt az anyagot többek között nagy szilárdságú kompozitokban való felhasználásra vizsgálták.

Mivel a BNNT-k erősen negatív töltésűek, a francia csapat azt gyanította, hogy megakadályozzák a negatívan töltött vízben lévő ionok átjutását a membránon (mert a hasonló elektromos töltések taszítják egymást).

A sejtésük igaznak bizonyult. Megállapították, hogy amikor egyetlen BNNT-vel rendelkező membránt helyeztek az édesvíz és a sós víz közé, a pozitív ionok a sós oldalról az édesvíz oldalra csúsztak, de a negatív töltésű ionok többnyire blokkolva maradtak.

A két oldal közötti töltési egyensúlyhiány olyan erős volt, hogy a kutatók becslése szerint a membrán egyetlen négyzetmétere - több millió pórussal ellátva négyzetcentiméterenként - évente körülbelül 30 megawattórát generálhat. Ez elegendő három ház áramellátásához.

De még a postabélyeg méretű filmek készítése is lehetetlennek bizonyult, mert senki sem tudta, hogyan lehet a hosszú, vékony BNNT-ket a membránra merőlegesen felsorakoztatni, legalábbis mostanáig.

Az Anyagkutató Társaság ülésén Semih Cetindag és Jerry Wei-Jen Shan gépészmérnök laboratóriumi hallgatók a New Jersey-i Rutgers Egyetemről arról számoltak be, hogy csapatuk megoldotta a problémát.

A nanocsövek beszerzése könnyű volt. A tudósok ezt követően hozzáadták ezeket egy polimer prekurzorhoz, amelyet egy 6,5 mikrométer vastag filmre szórtak. A véletlenszerűen beállított nanocsövek tájolásához a kutatók mágneses teret akartak használni, a probléma viszont az volt, hogy a BNNT-k nem mágnesesek.

Cetindag ezért pozitívan töltött bevonattal festette be a negatív töltésű csöveket; az azt alkotó molekulák túl nagyok voltak ahhoz, hogy elférjenek a BNNT-kben, és így nyitva hagyták a csatornákat. Ezután negatív töltésű mágneses vas-oxid részecskéket adott a keverékhez, amelyek a pozitív töltésű bevonathoz tapadtak.

Ezzel a Rutgers csapata elérte azt, amit akart. Amikor a kutatók mágneses teret alkalmaztak, úgy tudták manőverezni a csöveket, hogy azok a polimer fólián megfelelően igazodjanak. Ezután ultraibolya fényt alkalmaztak a polimer megkötésére, mindent a helyére rögzítve. Végül a csapat egy plazmasugár segítségével maratta el az anyag egy részét a membrán felső és alsó felületén, biztosítva, hogy a csövek mindkét oldala nyitva legyenek. A végső membrán köbcentiméterenként körülbelül 10 millió BNNT-t tartalmazott.

Amikor a kutatók membránjukat egy kis edénybe helyezték, amely elválasztotta a sós és az édesvizet, négyszer nagyobb teljesítményt termelt az adott területen, mint az előző francia csapat BNNT kísérlete. Ez a növekedés Shan szerint valószínűleg azért van, mert az általuk használt BNNT-k keskenyebbek, és így jobban végzik a negatív töltésű kloridionok kizárását.

És azt gyanítják, hogy még jobb membárnokat is képesek előállítani. "Nem használjuk ki a membránok teljes potenciálját," - mondja Cetindag. Ez azért van, mert a plazma kezelés után a BNNT-knek csak a 2%-a volt nyitva a membrán mindkét oldalán. Most a kutatók megpróbálják növelni a nyitott pórusok számát a filmjeikben, ami egy napon régóta várt lökést adhat a kék energia híveinek.

(1) - https://www.sciencemag.org/news/20