By Boston — grön energi förespråkare kan snart bli blå. Ett nytt membran skulle kunna låsa upp potentialen för ”blå energi”, som använder kemiska skillnader mellan färsk- och saltvatten för att generera el. Om forskare kan skala upp frimärkesstorlek membran på ett överkomligt sätt, kan det ge kolfri kraft till miljontals människor i kustländer där sötvattensfloder möter havet.
” Det är imponerande”, säger Hyung Gyu Park, maskiningenjör vid Pohang University of Science and Technology i Sydkorea som inte var involverad i arbetet. ”Vårt område har väntat på denna framgång i många år.”
Blue energy löfte härrör från dess omfattning: Floder dumpar omkring 37 000 kubikkilometer sötvatten i haven varje år. Denna korsning mellan färsk- och saltvatten skapar potential att generera massor av el—2,6 terawatt, enligt en färsk uppskattning, ungefär den mängd som kan genereras av 2000 kärnkraftverk.
Det finns flera sätt att generera ström från den blandningen. Och ett par blå energikraftverk har byggts. Men deras höga kostnader har förhindrat utbredd adoption. Alla blå energimetoder bygger på det faktum att salter består av joner eller kemikalier som har en positiv eller negativ laddning. I fasta ämnen lockar de positiva och negativa laddningarna varandra och binder jonerna tillsammans. (Bordsalt är till exempel en förening gjord av positivt laddade natriumjoner bundna till negativt laddade kloridjoner.) I vatten lossnar dessa joner och kan röra sig självständigt.
Genom att pumpa de positiva jonerna – som natrium eller kalium – till den andra sidan av ett semipermeabelt membran, forskare kan skapa två pooler av vatten: en med en positiv laddning, och en med en negativ laddning. Om de sedan dunkar elektroder i poolerna och ansluter dem med en tråd, kommer elektroner att strömma från den negativt laddade till den positivt laddade sidan och genererar el.
År 2013 gjorde franska forskare just ett sådant membran. De använde en keramisk film av kiselnitrid — som vanligen används inom industrin för elektronik, skärverktyg och andra användningsområden — genomborrad av en enda pore fodrad med en bornitrid nanotube (BNNT), ett material som undersöks för användning i höghållfasta kompositer, bland annat. Eftersom BNTs är mycket negativt laddade misstänkte det franska laget att de skulle förhindra negativt laddade joner i vatten från att passera genom membranet (eftersom liknande elektriska laddningar avvärja varandra). Deras föraning var rätt. De fann att när ett membran med en enda BNNT placerades mellan färsk- och saltvatten, de positiva jonerna zippade från den salta sidan till den friska sidan, men de negativt laddade jonerna blockerades mestadels.
Avgiften obalans mellan de två sidorna var så stark att forskarna uppskattade en enda kvadratmeter av membranet—packad med miljontals porer per kvadratcentimeter—kunde generera cirka 30 megawatt timmar per år. Det räcker för att driva tre hem.
Men att skapa jämna frimärksfilmer har visat sig omöjligt, eftersom ingen har listat ut hur man får alla långa, tunna BNT:er att ställa upp vinkelrätt mot membranet. Tills nu.
Vid det halvårsmöte i Materials Research Society här igår rapporterade Semih Cetindag, doktorand i laboratoriet av maskiningenjör Jerry Wei-Jen Shan på Rutgers University i Piscataway, New Jersey, att deras team nu har knäckt koden. Nanoruberna var lätta. Cetindag säger att labbet bara köper dem från ett kemiföretag. Forskarna lägger sedan till dessa till en polymerprekursor som sprids i en 6,5-mikrometer tjock film. För att orientera de slumpmässigt inriktade rören, forskarna ville använda ett magnetfält. Problemet: BNTs är inte magnetiska.
Så Cetindag målade de negativt laddade rören med en positivt laddad beläggning; molekylerna som gjorde den var för stora för att passa in i BNT:erna och lämnade därmed sina kanaler öppna. Cetindag tillsattes sedan negativt laddade magnetiska järnoxidpartiklar till blandningen, som fästs på de positivt laddade beläggningarna.
Det gav Rutgers laget spaken det letade efter. När forskarna tillämpade ett magnetfält, kunde de manövrera rören så att de flesta i linje över polymerfilmen. De applicerade sedan ultraviolett ljus för att bota polymeren och låste allt på plats. Slutligen använde teamet en plasmabråle för att etsa bort en del av materialet på membranets övre och nedre ytor, vilket säkerställer att rören var öppna på vardera sidan. Det slutliga membranetinnehöll cirka 10 miljoner BNT per kubikcentimeter.
När forskarna placerade sitt membran i ett litet kärl som separerar salt- och sötvatten, det producerade fyra gånger mer kraft per område än det tidigare franska lagets BNNT experiment. Denna effektboost, säger Shan, är sannolikt eftersom BNTs de använde är smalare, och därmed gör ett bättre jobb med att utesluta negativt laddade kloridjoner.
Och de misstänker att de kan göra ännu bättre. ”Vi utnyttjar inte membranens fulla potential”, säger Cetindag. Det beror på att endast 2% av BNNTS var öppna på båda sidor av membranet efter plasmakoncentrationen. Nu är forskarna försöker öka antalet öppna porer i sina filmer—som en dag kan ge en eftertraktad uppsving för förespråkare av blå energi.
*Korrigering, 6 december, 11:30: Denna artikel har korrigerats för att exakt återspegla hur många bostäder ett blått membran kan driva och hur mycket energi per område det producerar.
