Energia marina osmotica: passi avanti grazie a nuove membrane ispirate ai tessuti degli organismi viventi
Membrane composite di nitruro di boro, ispirate alle ossa e alla cartilagine, per produrre elettricità dall’acqua salata
[31 Dicembre 2019]
Da tempo gli scienziati hanno riconosciuto il potenziale degli oceani di produrre energia marina rinnovabile sfruttando la forza delle maree e delle onde, ma si tratta di tipi di energia spesso difficili da sfruttare rispetto ad altre fonti rinnovabili come l’eolico o il solare. Ora il nuovo studio ”Bio-inspired Nanocomposite Membranes for Osmotic Energy Harvesting”, pubblicato su Joule da un team di ricercatori australiani, statunitensi e cinesi, mette in luce le possibilità di sfruttare l’energia osmotica o “blu”.
I ricercatori spiegano che «L’energia osmotica, prodotta dalle differenze di pressione e salinità tra acqua dolce e salata, può essere utilizzata per produrre elettricità. Tuttavia, i materiali attualmente utilizzati nei generatori di energia osmotica non sono adeguati per resistere a lungo termine alle condizioni oceaniche e tendono a rompersi rapidamente nell’acqua». Infatti, i nanomateriali di argilla, ossido di grafene, MXene e bisolfuro di molibdeno comunemente usati nelle membrane tendono a collassare e disintegrarsi nell’acqua.
Per affrontare questa sfida, il team internazionale di scienziati ha cercato ispirazione negli organismi viventi per sviluppare un sistema osmotico migliore e alla fine, combinando più materiali per imitare la varietà di membrane “ad alte prestazioni” che si trovano naturalmente nei tessuti corporei degli organismi, , hanno creato una membrana ibrida composta da nanofibre di aramide (come quelle utilizzate per il Kevlar) e nitruro di boro. Il prodotto finale ha sia la flessibilità della cartilagine che la forza e la stabilità dell’osso.
Mentre i nanoschede di nitruro di boro hanno recentemente mostrato risultati promettenti, rimanendo stabili con l’aumentare della temperatura e non reagendo facilmente con altre sostanze, da sole le membrane di nitruro di boro non resistono abbastanza a lungo all’acqua e iniziano rapidamente a perdere ioni mentre sviluppare fessure microscopiche. Lo scienziato capo del progetto, Weiwei Lei, dell’Institute for Frontier Materials (IFM) della Deakin University australiana, sottolinea che «Le nuove membrane composite composte di nitruro di boro con proprietà innovative e robuste risolveranno questo problema, cosa che ci viene attualmente molto richiesta».
Uno degli autori dello studio, Nicholas Kotov dell’università del Michigan, spiega: « L’energia osmotica rappresenta un’enorme risorsa per l’umanità, ma la sua implementazione è fortemente limitata dalla disponibilità delle membrane iono-selettive ad alte prestazioni, Abbiamo trovato un modo per sposare questi due tipi di materiali per ottenere entrambe le proprietà allo stesso tempo. Le nostre membrane nanocomposite bio-ispirate presentano alcuni vantaggi come l’elevata robustezza e l’essere più facili da fabbricare e offrono una maggiore multifunzionalità rispetto alle membrane realizzate in un unico materiale. La nostra nuova membrana composita ha uno spessore regolabile e un’alta stabilità a temperature comprese tra 0 e 95 gradi Celsius e a un pH compreso tra 2,8 e 10,8».
Inoltre il team di ricercatori ha sottoposto le membrane a 20 cicli ripetuti di immersione in cloruro di sodio per monitorarne la stabilità, scoprendo che continuava a funzionare in modo ottimale dopo 200 ore.
Il principale autore dello studio, Dan Liu dell’IFM – Deakin, evidenzia che «I componenti economici e la longevità della membrana rendono realistica la raccolta dell’energia oceanica».
I ricercatori sono convinti che il basso costo e l’elevata stabilità della loro nuova la membrana in nitruro di boro aramidico consentiranno di utilizzarla con successo nei mutevoli ambienti marini e si aspettano inoltre che la tecnologia diventi preso più efficiente e facilmente scalabile – le nanofibre di aramide possono anche essere recuperate dal tessuto in Kevlar scartato – permettendo di accedere a una nuova forma di energia rinnovabile necessaria per soddisfare la crescente domanda globale di energia.
Kotov conclude: «Queste sono le membrane più performanti finora conosciute. Tuttavia, non sono ancora completamente ottimizzate. Potenzialmente, potrebbero essere ottenute prestazioni ancora migliori».