O trabalho da equipe abre o caminho para o uso da hidrovoltaica para águas comuns, desde a água potável da torneira até a água do mar.
[Imagem: Tarique Anwar et al. - 10.1016/j.device.2024.100287]

Energia hidrovoltaica

Nos últimos anos, várias abordagens têm sido desenvolvidas para tentar tirar proveito da hidrovoltaica, um efeito que pode ser explorado quando a água se evapora. É um potencial enorme, bastando lembrar que aproximadamente metade da energia solar que chega à Terra alimenta processos evaporativos.

O efeito hidrovoltaico (HV) permite que a eletricidade seja colhida quando um fluido passa sobre a superfície eletricamente carregada de um dispositivo com poros em nanoescala. A evaporação estabelece um fluxo contínuo dentro dos nanocanais, que atuam como mecanismos de bombeamento passivos - a água flui por capilaridade. Esse efeito também é observado nos microcapilares das plantas, onde o transporte de água ocorre graças a uma combinação de pressão capilar e evaporação natural.

Já existem geradores hidrovoltaicos funcionais, mas ainda estamos longe de compreender os meandros dessa geração de eletricidade em nanoescala.

Foi nisso que trabalharam Tarique Anwar e Giulia Tagliabue, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, fazendo uma combinação de experimentos e modelagem multifísica para caracterizar fluxos de fluidos, fluxos de íons e efeitos eletrostáticos devidos a interações sólido-líquido, com o objetivo de otimizar os geradores hidrovoltaicos.

O resultado foi melhor do que o esperado, abrindo pela primeira vez a possibilidade da geração hidrovoltaica usando água comum, incluindo a água do mar.

"Graças à nossa nova plataforma altamente controlada, este é o primeiro estudo que quantifica esses fenômenos hidrovoltaicos, destacando a importância de várias interações interfaciais. Mas, no processo, também fizemos uma descoberta importante: Que os dispositivos hidrovoltaicos podem operar em uma ampla faixa de salinidades, contradizendo o entendimento anterior de que era necessária água altamente purificada para obter o melhor desempenho," disse Tagliabue.

O detalhamento do processo envolvido na geração hidrovoltaica permitirá a fabricação de geradores mais eficientes.
[Imagem: Tarique Anwar et al. - 10.1016/j.device.2024.100287]

Mecanismo da geração hidrovoltaica

O trabalho da equipe também alcançou resultados em termos práticos, especificamente na técnica de fabricação dos dispositivos hidrovoltaicos.

A dupla usou pela primeira vez em uma aplicação hidrovoltaica uma técnica chamada litografia coloidal de nanoesferas, o que lhes permitiu criar uma rede hexagonal de nanopilares de silício espaçados com precisão. Os espaços entre os nanopilares criaram os canais perfeitos para a evaporação, além de poderem ser ajustados para compreender melhor os efeitos do confinamento do fluido e da área de contato sólido/líquido.

E era justamente aqui que estava o pulo da gato para permitir usar águas não purificadas. "Na maioria dos sistemas fluídicos contendo soluções salinas, você tem um número igual de íons positivos e negativos. No entanto, quando você confina o líquido a um nanocanal, apenas os íons com polaridade oposta à da carga superficial permanecerão," explicou Anwar. "Isso significa que, se você permitir que o líquido flua através do nanocanal, você gerará correntes e tensões."

"Isso remonta à nossa principal descoberta, de que o equilíbrio químico da carga superficial do nanodispositivo pode ser explorado para estender a operação de dispositivos hidrovoltaicos em toda a escala de salinidade," acrescentou Tagliabue. "Na verdade, à medida que a concentração de íons fluidos aumenta, também aumenta a carga superficial do nanodispositivo. Como resultado, podemos usar canais de fluido maiores enquanto trabalhamos com fluidos de concentração mais alta. Isso torna mais fácil fabricar dispositivos para uso com água da torneira ou do mar, em vez de apenas água purificada."

Imagem de microscópio eletrônico de varredura dos nanopilares de silício usados na geração hidrovoltaica.
[Imagem: Tarique Anwar/LNET EPFL]

Geração de energia e dessalinização da água do mar

Como a evaporação pode ocorrer continuamente em uma ampla faixa de temperaturas e umidades - e até mesmo à noite - há muitas aplicações potenciais interessantes para dispositivos hidrovoltaicos mais eficientes. Os pesquisadores esperam explorar este potencial com o apoio Fundação Nacional de Ciências da Suíça, que já está apoiando o desenvolvimento de um projeto para a recuperação de calor residual e geração de energia renovável em grande e pequena escala, incluindo um protótipo do gerador hidrovoltaico operando em condições reais.

E, como lida com a salinidade da água, o projeto também poderá ser estendido para outras aplicações, como a dessalinização da água do mar ou a limpeza de águas residuais.