Energie aus der Verdunstung von Meerwasser gewinnen

Wissenschaftler der EPFL haben entdeckt, dass Nanogeräte, die sich den hydroelektrischen Effekt zunutze machen, Strom aus der Verdampfung von Flüssigkeiten erzeugen können, deren Ionenkonzentration höher ist als die von gereinigtem Wasser. Dieser Durchbruch lässt auf ein großes, bisher ungenutztes Energiepotenzial schließen.

Die Verdunstung ist ein allgegenwärtiger natürlicher Prozess, so sehr, dass die meisten von uns ihn als selbstverständlich ansehen. Etwa die Hälfte der Sonnenenergie, die auf die Erde trifft, ist auf den Verdunstungsprozess zurückzuführen. Seit 2017 versuchen Forscherinnen und Forscher, das Energiepotenzial der Verdunstung mithilfe des Hydrovoltaik-Effekts (HV) zu nutzen. Dieser ermöglicht die Erzeugung von Elektrizität, wenn eine Flüssigkeit über die geladene Oberfläche eines Nanogeräts fließt. Durch die Verdampfung dieser Flüssigkeit entsteht ein kontinuierlicher Fluss in den Nanokanälen im Inneren der Geräte, die als passive Pumpmechanismen fungieren. Dieser Effekt wird auch in den Mikrokapillaren von Pflanzen beobachtet, wo der Wassertransport durch eine Kombination aus Kapillardruck und natürlicher Verdunstung erfolgt.

Trotz der Existenz von Hydrovoltaikgeräten ist nur sehr wenig über die Bedingungen und physikalischen Phänomene bekannt, die die Erzeugung von HV-Energie im Nanomaßstab regeln. Giulia Tagliabue, Leiterin des Labors für Nanowissenschaft für Energietechnologien ( LNET ) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik, und der Doktorand Tarique Anwar wollten diese Lücke schließen. Sie stützten sich auf Experimente und multiphysikalische Modellierung, um Flüssigkeitsströme, Ionenströme und elektrostatische Effekte aufgrund von Feststoff-Flüssigkeits-Wechselwirkungen zu charakterisieren, mit dem Ziel, HV-Geräte zu optimieren.

"Dank unserer neuen, hochkontrollierten Plattform ist dies die erste Studie, die diese hydrovoltaischen Phänomene quantifiziert, indem sie die Bedeutung der verschiedenen Grenzflächeninteraktionen hervorhebt. Das widerspricht dem bisherigen Wissen, dass hochgereinigtes Wasser für die beste Leistung notwendig ist", sagt Giulia Tagliabue.

Die Studie des LNET wurde kürzlich in der Zeitschrift Device von Cell Press veröffentlicht.

Ein aufschlussreiches multiphysikalisches Modell

Das Gerät der Forscherinnen und Forscher stellt die erste hydrovoltaische Anwendung einer Technik namens kolloidale Nanosphärenlithografie dar, mit der sie ein hexagonales Netzwerk aus präzise beabstandeten Silizium-Nanosäulen erschaffen konnten. Die Abstände zwischen den Nanosäulen schufen perfekte Kanäle für die Verdampfung von Flüssigkeitsproben und konnten genau eingestellt werden, um die Auswirkungen des Flüssigkeitseinschlusses und der Kontaktzone zwischen Festkörper und Flüssigkeit besser zu verstehen.

"In den meisten Fluidsystemen, die Salzlösungen enthalten, gibt es eine gleiche Anzahl positiver und negativer Ionen. Wenn die Flüssigkeit jedoch in einem Nanokanal eingeschlossen ist, bleiben nur die Ionen übrig, deren Polarität der Oberflächenladung entgegengesetzt ist", erklärt Tarique Anwar. "Das heißt, wenn man eine Flüssigkeit durch den Nanokanal fließen lässt, erzeugt man Strom und Spannung."

"Das verweist auf unsere wichtigste Entdeckung, nämlich dass das chemische Gleichgewicht der Oberflächenladung des Nanodevice genutzt werden kann, um die Funktionsweise von Hydrovoltaikgeräten über die Salzgehaltsskala hinweg zu erweitern", fügt Giulia Tagliabue hinzu. "Tatsächlich steigt die Oberflächenladung des Nanodevice mit der Ionenkonzentration der Flüssigkeit an. Wir können also größere Flüssigkeitskanäle verwenden und gleichzeitig mit Flüssigkeiten mit höherer Konzentration arbeiten. So ist es einfacher, Geräte für den Einsatz mit Leitungs- oder Meerwasser herzustellen, als nur mit gereinigtem Wasser."

Überall, wo es Wasser gibt

Da die Verdunstung kontinuierlich in einem breiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich und sogar nachts stattfinden kann, gibt es viele interessante potenzielle Anwendungen für leistungsfähigere HV-Geräte. Die Forscherinnen und Forscher hoffen, dieses Potenzial mit einem Starting Grant des Schweizerischen Nationalfonds zu erkunden, der "ein völlig neues Paradigma für die Nutzung von Abwärme und die Erzeugung erneuerbarer Energie im großen und kleinen Maßstab" etablieren soll, einschließlich eines Prototypmoduls unter realen Bedingungen am Genfersee.

Da HV-Geräte theoretisch überall dort funktionieren können, wo eine Flüssigkeit oder sogar Feuchtigkeit wie Schweiß vorhanden ist, könnten sie auch dazu dienen, Sensoren in vernetzten Geräten wie Smart TVs oder tragbaren Gesundheits- und Fitnessgeräten mit Strom zu versorgen. Dank des Fachwissens des LNET über Systeme zur Erzeugung und Speicherung von Lichtenergie möchte Giulia Tagliabue auch sehen, wie Licht und photothermische Effekte genutzt werden könnten, um Oberflächenladungen und Verdunstungsraten in HV-Systemen zu steuern.

Schließlich sehen die Forscherinnen und Forscher auch wichtige Synergien zwischen HV-Systemen und der Trinkwasserproduktion.

"Die natürliche Verdunstung wird im Rahmen des Entsalzungsprozesses genutzt, da Süßwasser aus Salzwasser hergestellt werden kann, indem der von einer Verdunstungsfläche erzeugte Dampf kondensiert wird. Es ist denkbar, dass ein HV-System dazu dient, sowohl Trinkwasser als auch Strom zu erzeugen", erklärt Tarique Anwar.

Referenzen

Anwar and Tagliabue, Salinity-dependent interfacial phenomena towards hydrovoltaic device optimization, Device.
(2024), https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100287