Agua eléctrica

Un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts descubrió en fechas recientes que cuando las gotas de agua son repelidas desde superficies superhidrófobas (altamente repelentes al agua) adquieren una carga eléctrica. Este descubrimiento y su aprovechamiento en la obtención de energía podría resultar útil para suministrar corriente eléctrica a equipos de dimensiones reducidas.

Por Antonia Tapia.

Científicos del grupo de Nanoingeniería del Instituto Tecnológico de Massachusetts publicaron en julio pasado un estudio en la prestigiosa revista científica Applied Physics Letters, denominado Jumping-droplet Electrostatic Energy Harvesting.

El artículo, firmado por Nenad Miljkovic, Daniel J. Preston, Ryan Enright y Evelyn N. Wang, demuestra cómo las superficies superhidrófobas adquieren una carga eléctrica con densidades de potencia de ~15 pW/cm2 y, que en el corto plazo, asegura la investigación, puede ser mejorada a ~1 W/cm2. En ese sentido, afirma el artículo, este tipo de tecnología promete ser escalable para la recolección de energía atmosférica y permitirá a futuro la generación de energía eléctrica a bajo costo.

A continuación compartimos los resultados de la investigación.

Dicho estudio del MIT demostró que cuando las gotas (10-100 ?m) caen sobre superficies nanoestructuradas superhidrófobas pueden expulsar energía independientemente de la gravedad.

Para investigar el salto de las gotas se utilizaron “peines” con superficies de óxido de cobre (CuO) e hidrofílicos de cobre. Las nanoestructuras de CuO se cultivaron en tarjas de calor comerciales de dimensiones de 26 mm de altura, 89 mm ancho y 75 mm de profundidad.

Cada peine contiene 14 aletas que miden 18.7 mm y 0.48 mm de altura y grosor, respectivamente. Se retiraron algunas aletas alternándolas para aumentar el espaciado de interdigitación y evitar un cortocircuito.

Los peines se limpiaron en un baño de ultrasonido con acetona durante 10 minutos y se enjuagaron con etanol, alcohol isopropílico y agua desionizada. Se sumergieron en una solución de ácido clorhídrico por 10 minutos para quitar la película de óxido en la superficie y después se enjuagaron tres veces más con agua desionizada y se secaron con gas nitrógeno.

Finalmente, en los peines, tras sumergirlos en una solución alcalina, se formaron películas nanoestructuradas de CuO. Durante el proceso de oxidación se formó una fina capa de Cu₂O, para inmediatamente después reoxidarse bruscamente, formando estructuras en forma de cuchillas de CuO.

Para representar el peine de CuO recubierto de la superficie hidrofóbica, explica el documento, se aplicó una cobertura de P₂i con plasma a través de deposición de vapor.

Este proceso permitió el desarrollo de un recubrimiento de polímero que es el enlace covalente con la superficie de CuO.

Más adelante, el artículo indica que algunas mediciones goniométricas de la superficie mostraron avances y retrocesos de ángulos de contacto en las superficies hidrofóbicas.

Nanoestructuras de CuO cultivadas en tarjetas de color

Obtención de energía
La investigación describe que para obtener energía del salto de las gotas se redujo la temperatura de los peines de CuO a través de un flujo de agua de refrigeración; luego ocurrió la condensación de las gotas y posteriormente saltaron. Para visualizar el comportamiento, los investigadores emplearon un dispositivo interdigital, el cual se probó en una cámara de condensación controlada a través de una cámara de alta velocidad.

El estudio agrega que debido a la separación en la carga de la doble capa eléctrica en el líquido de cobertura hidrofóbica las gotas saltaron de la superficie, con un radio dependiente de la carga electrostática (10-100 fc).

“Las gotas saltaron desde el peine de CuO hacia la superficie hidrófila de Cu, lo que da lugar a un potencial eléctrico por acumulación de carga”.

La publicación afirma que a lo largo de la trayectoria de gota el campo eléctrico entre las aletas y el arrastre viscoso desaceleró el salto de las gotas. Como las gotas se trasladaron a un lugar de mayor potencial (aletas), su energía cinética se convirtió directamente en energía eléctrica, que es análoga a la generación de energía electrostática. La corriente se sacó del alto potencial de la aleta hidrofílica para realizar un trabajo útil.

Medición de energía
El artículo expresa que para medir la generación de energía electrostática del dispositivo interdigital se empleó un electrómetro durante la condensación y se midió la tensión del circuito abierto (VOC) y corriente de cortocircuito (ISC) entre los dos peines. El electrómetro de alta precisión fue conectado a los peines mediante una alimentación eléctrica a través de la cámara. Esta última y el chasis del electrómetro se conectaron a tierra a través de la mesa óptica localizada debajo de ellos; así, la cámara actuó como tierra y escudo para las mediciones eléctricas.

“Para replicar las condiciones atmosféricas cuando hay rocío, el proceso de recolección de energía fue objeto de estudio en una temperatura del agua de refrigeración de temperatura 8 grados centígrados y presión de vapor de agua de Pv 2 kilopascales”.

La VOC, indica el artículo, se obtuvo mediante la medición del potencial de tensión de la conexión de la terminal positiva del electrómetro al peine de Cu y la terminal negativa del peine de CuO durante la condensación. Para iniciar el proceso de condensación para las mediciones eléctricas, la temperatura del agua de refrigeración se redujo hasta que se observó un salto debido a la condensación de las gotas entre las aletas. El valor de la ISC se obtuvo conectando eléctricamente los peines de CuO y Cu en serie a través del electrómetro y midiendo la corriente durante la condensación.

En la condensación, la presión de vapor (pv) disminuyó debido a la cantidad limitada de vapor dentro de la cámara y la temperatura se mantuvo entre 5 y 7.1 grados centígrados. Como el proceso de condensación se intensificó debido al enfriamiento transitorio de las aletas de CuO, la VOC y la ISC aumentaron para llegar a valores cuasiconstantes de VOC 15 V e ISC 1.15 nA, respectivamente.

Después de 30 segundos de una medida constante, la temperatura del agua de refrigeración y los compuestos orgánicos volátiles decayeron lentamente debido a la sobresaturación en la condensación, y el salto de gotas se dio con una menor frecuencia. El rango máximo de obtención de energía en estos experimentos se aproxima por el Pmax= 0.25 ISC VOC 15 pW/cm², según el cual el prefactor de 0.25 representa una carga equilibrada, carga resistente que está siendo alimentada por el generador. La relativamente baja densidad de energía del dispositivo se debió principalmente a:

1. Los bajos rangos de enfriamiento (<0.01 W/cm²) y
2. El arreglo poco óptimo de las aletas, lo que dio lugar a una temperatura más fría que en la base de las aletas superhidrofóbicas (por el enfriamiento de la base) y a la imposibilidad de aumentar al máximo la utilización de toda la zona del peine para el salto de las gotas

Resultados
La publicación afirma que para dar una idea de los resultados experimentales y estimar el potencial máximo de obtención de energía a través de los saltos de gota se ha desarrollado un modelo para determinar la VOC y la ISC, tomando en cuenta la transferencia de calor por condensación. Si se supone el salto de una gota de radio R10 ?m y se relaciona el flujo de calor de la condensación (q”) para la energía asociada con el calor latente de cambio de fase por gota (Vhfg), la frecuencia de gotas que deja la superficie hidrofóbica por unidad de área (f) se puede determinar explícitamente como f= q”/ (Vhfg), donde V y es el volumen de saltos de gota [(4/3)?R3] y la densidad (1 mil kg/m³), respectivamente.

Si se asume que todas las gotas que dejan la superficie superhidrofóbica alcanzan la superficie hidrófila, la corriente de cortocircuito por unidad puede calcularse a partir de ISC = fQd, donde Qd es la carga de gotas individuales (Qd 8 fc para R10 ?m). Si se toman las superficies paralelas de CuO y Cu como capacitores, con una distancia de separación d, el voltaje del circuito abierto puede ser determinado por considerar el caso cuando la carga de las gotas que saltan llega a la aleta hidrofílica con su energía cinética disponible.

En una condición de circuito abierto, las gotas desacelerarán en su trayectoria debido a la fuerza generada por el campo eléctrico E en la carga de las gotas Qd, con el balance de fuerzas ma= QdE – Ffr, donde Ffr es la fuerza de arrastre generada a la fase gaseosa circundante, “m” es la masa de la gota y “a” es su aceleración.

Para calcular el límite superior de la VOC se asume que la fuerza de arrastre tiene que ser 0.

Al equilibrar la energía cinética total de las gotas que saltan (Ed= (1/2) Vu²) con el trabajo requerido para atravesar el campo eléctrico (Wd= QdEd), se obtiene VOC= (Vu²) / (2Qd), donde u es la velocidad inicial de la gota al saltar. De esta manera, el máximo teórico de energía por unidad de área es aproximado a Pmax= 0.25 ISC VOC para una carga equilibrada.

Flujo de calor condensado, q”[W/cm²]

El método de obtención de energía electrostática demuestra que en este dispositivo la inercia del salto de las gotas se opone a la fuerza electrostática. La ventaja principal del enfoque es que cuanto menor sea el tamaño de la gota (R<50 ?m), mayor podrá ser la carga de densidades (Qd /V) que pueden obtenerse con microgotas. Estos datos ofrecen tres ventajas principales:

1. Recolección de energía pasiva de la atmósfera, por medio de la formación de rocío
2. Ausencia de partes móviles y de un requisito para el bombeo, con el fin de crear un microjet, que lo vuelve más sencillo en su concepción
3. Utilización de energía térmica de baja calidad (condensación), en lugar de energía mecánica de alta calidad (presión) para la generación de energía

Finalmente, el artículo publicado por los investigadores del MIT demuestra que la condensación del salto de gotas puede emplearse para la obtención de energía electrostática.

“En el futuro, sería interesante investigar el rendimiento del dispositivo en diferentes resistencias de carga. El uso de resistencias de carga variable cambiará la acumulación potencial en el dispositivo y alterará su rendimiento general. Por otra parte, la fabricación de un dispositivo con una gran área de superficie promete aumentar aún más la densidad energética de la obtención de energía, además de reducir el impacto medioambiental”.

La inclusión de arrastre por fricción y otros mecanismos de disipación de energía en los cálculos teóricos proporcionan datos para mejorar aún más el diseño de dispositivos mediante la identificación de nuevos parámetros críticos (gas circundante, densidad y viscosidad) para maximizar la potencia de salida.

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