En un artículo publicado en la revista Nature, un grupo de investigadores logran mejorar sistemas previos que ya existían para recolectar la energía cinética de gotas de agua cayendo y transformarla de manera más eficiente en electricidad.
Basan sus resultados en investigaciones previas en las que pudieron demostrar la inducción de carga por gotas de agua en la superficie de materiales fluorados(1) usando teflón como material principal superior.
Como indica la figura siguiente, el dispositivo está formado por una capa exterior de teflón en contacto con un electrodo de aluminio, que conecta eléctricamente esta capa exterior con una inferior de un óxido de estaño e indio, ITO por sus siglas en inglés, este último una tierra rara muy cara.
De la figura 1 del artículo citado.
Como se ve en la figura, la capa del óxido y el electrodo de aluminio están conectado y no debería pasar electricidad a través de ellos, a menos que se acumule carga de alguna manera en alguna de las superficies. Y eso es lo que pasa al caer gotas de agua en la parte del teflón, que carga eléctrica se acumula según van cayendo gotas de agua hasta que el valor de la carga eléctrica alcanza un valor de saturación de en torno 50 nC, como indica la figura de abajo.
De la figura 1 c del artículo citado.
Independientemente del mecanismo por el que se produce la carga eléctrica, está claro que hay un valor de saturación de la misma cerca de los 50 nC que comenté antes.
Cada uno de los dispositivos fabricados, hicieron tres en una línea, podía sostener un voltaje de en torno a 140 V con una corriente de 270 µA. Con una resistencia de alrededor de 330 kiloOhmnios, logran unas densidades de potencia de cerca de 50 W/m². Por comparación, lo que se había logrado hasta ahora con dispositivos de este tipo, pero con superficie de aluminio directamente, eran unos voltajes 295 e intensidades de corriente 2.600 veces más pequeñas. No está nada mal.
Los sistemas fotovoltaicos actuales comerciales obtienen potencias del orden de los 200 W/m²(2), lo que quiere decir que están ya en camino de convertirse en una alternativa razonable de generación de energía.
Su eficiencia de conversión de la energía cinética de la gota que cae es del orden del 2%. Las primeras células solares comerciales tenían eficiencias de ese orden de magnitud, desde el 2 al 8%, como indica la figura siguiente, extraída de la entrada de la Wikipedia sobre paneles fotovoltaicos.
Los investigadores prosiguen en su artículo buscando las razones del incremento tan fuerte en la eficiencia respecto a sistemas anteriores. Pudieron observar experimentalmente que las cargas eléctricas transportadas por las gotas no variaban al impactar en el material, con lo que su cambio no era la causa de la mejora observada.
Entonces, fijaron su atención en la variación de la corriente y cargas en el dispositivo a lo largo del tiempo, notando que ambos parámetros oscilaban en función de si la gota tocaba el electrodo de aluminio o no. Cuando la gota comenzaba a tocar el electrodo de aluminio, se producía una transferencia de corriente desde la superficie del teflón hasta el electrodo de óxido ITO, mientras que cuando se retiraba la gota, sucedía al revés y la corriente primero se volvía negativa para alcanzar un valor final de cero. Este resultado se comprueba en la figura de abajo, donde se ve la dinámica de la corriente producida por una gota en un dispositivo.
De la figura 2 b c del artículo citado.
Los autores del artículo proponen, basado en este comportamiento y en el hecho de que la posición del electrodo de aluminio que conecta la superficie de teflón con el óxido ITO no afecta a la eficiencia del dispositivo, que la corriente se transfiere desde el ITO hasta el teflón y viceversa en ciclos reversibles. La reversibilidad del sistema se apoya en que no han podido observar que la eficiencia del dispositivo varía con el tiempo, lo que quiere decir que no hay elementos que se «gasten» en el tiempo.
Tratando de entender mejor qué lleva su dispositivo a ser tan eficiente, usaron el número de Weber(3) de las gotas que caen sobre él. El resultado se puede resumir en la figura siguiente, extraída del artículo:
De la figura 2 e del artículo citado.
Esto querría decir que es importante que para lograr incrementos de carga, es más importante la energía cinética de las gotas que su tensión superficial.
Dado que es un sistema eléctrico, los investigadores usaron la teoría de circuitos y los datos que ya poseían para tratar de modelarlo. Y lo lograron con un sistema con tres condensadores:
- Uno superficial con las superficies de agua y teflón,
- otro del mismo tipo entre las superficies del agua y el aluminio,
- el tercero, volumétrico, con el teflón como dieléctrico y las superficies agua/teflón y teflón/óxido ITO como electrodos.
De los tres, en principio el tercero sería el más pequeño y el que se carga gracias a los otros dos «condensadores» que se forman por la interacción de la gua con las superficies citadas. Si este modelo fuera adecuado, podrían estimar la carga máxima. Haciendo los cálculos, los investigadores obtuvieron un valor para las dimensiones de su dispositivo cercano a los 50 µC medidos, lo que les dá confianza en que su modelización es correcta. Por otra parte, en ese caso el voltaje que se obtiene debería ser directamente proporcional al ancho del teflón, lo que la figura de abajo confirma claramente.
De la figura 3 c del artículo citado.
Los investigadores comentan que la forma de funcionar del dispositivo se confirma con simulaciones moleculares que realizaron, donde pudieron observar que las cargas iónicas que llevara el agua se separan en las superficies del teflón y el electrodo de aluminio, una vez que en la simulación añadían cargas estáticas en el teflón y el aluminio.
Por último, además de un sistema de laboratorio, hicieron un prototipo que probaron con agua de lluvia y agua de mar, para observar su eficiencia. Comprobaron que la eficiencia con los dos últimos tipos de agua, el sistema era menos eficiente porque generaba menos voltaje, aunque aún tenía eficiencias relativamente aceptables. El prototipo desarrollado y los voltajes obtenidos con los diversos tipos de agua están en la figura siguiente.
De la figura 4 b d, del artículo citado.
Dos detalles me llamaron la atención sobre el artículo. El primero, que dado que la generación principal de carga está relacionada con la electricidad estática a través del efecto triboeléctrico(5), y esta no está nada clara, los propios autores del artículo tiene que pasar muy por alto la acumulación de carga inicial en su dispositivo. La otra, que a pesar de no tener claro el motivo por lo que algo funciona, por qué funciona, eso no necesariamente es un obstáculo para hacerlo mejor, porque hay elementos del modelo que explica cómo funciona que pueden soslayarse.
El artículo salió publicado en la revista Nature, volumen 578 y está disponible en abierto en la dirección de la revista: Nature, 578, 392–396(2020).
(1) Un material fluorado es un polímero en el que se han sustituido algunos átomos de carbono por átomos de flúor. Uno de los más conocidos es el teflón empleado en este artículo, cuya fórmula química es (CF2 – CF2)n
(2) Esta cifra se ha obtenido suponiendo una eficiencia total del panel del 20%, bastante cercana a los mejores paneles solares y una irradiancia solar de 1.000 W/m², valor ideal. Los valores reales de potencia solar serán algo más bajos, probablemente cercanos a los 160 W/m² porque los rendimientos habituales son del 16 por ciento en muchos paneles de bajo rendimiento.
(3) El número de Weber es una cantidad adimensional que relaciona las fuerzas de inercia, energía mecánica debida a la velocidad, de un fluido con la tensión superficial, o fuerza debidas a la superficie de contacto de dos fluidos, por ejemplo, agua y aire. Su definición, donde aparecen la densidad del fluido, una longitud característica (en este caso el diámetro de las gotas que caen) y su tensión superficial está tanto en el artículo citado como en la entrada de la Wikipedia sobre el número de Weber.
(4) DEGs es la abreviatura en inglés de generador de energía eléctrica basado en gotas («Droplet-based Electrical Generator».)
(5) Efecto triboeléctrico es la generación de energía eléctrica debido al contacto con de un material con otro. Está muy relacionado con la electricidad estática y es un tanto misterioso en su origen último. El artículo de la Wikipedia sobre efecto triboeléctrico está muy bien: Wikipedia- Efecto triboeléctrico.