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¿Es posible iluminar 100 bombillas LED con una gota de agua?

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La generación eficiente de electricidad a partir de las gotas de lluvia ha ido un paso más allá. Un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha desarrollado un nuevo generador de electricidad basado en gotas, por el cual una única gota de agua genera 140V de potencia, iluminando 100 bombillas LED.

Este generados de energía basado en gotas (DEG) cuenta con una estructura similar a un transistor de efecto de campo (FET) que permite una alta eficiencia de conversión de energía y la densidad de potencia instantánea aumentó miles de veces en comparación con sus contrapartes sin estructura tipo FET. Esto ayudaría a avanzar en la investigación científica de la generación de energía del agua y abordar la crisis energética.

La investigación fue dirigida por el profesor Wang Zuankai del Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU; el profesor Zeng Xiao Cheng, de la Universidad de Nebraska-Lincoln, y el profesor Wang Zhong Lin, director fundador y científico jefe del Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de la Academia de Ciencias de China de Beijing, que publican sus hallazgos en el último número de la revista científica 'Nature'.

La energía hidroeléctrica no es nada nuevo, pero la energía cinética de baja frecuencia contenida en las olas, las mareas e incluso las gotas de lluvia no se convierten eficientemente en energía eléctrica debido a las limitaciones de la tecnología actual.

Por ejemplo, un generador de energía de gotas convencional basado en el efecto triboeléctrico puede generar electricidad inducida por electrificación de contacto e inducción electrostática cuando una gota golpea una superficie. Sin embargo, la cantidad de cargas generadas en la superficie está limitada por el efecto interfacial y, como resultado, la eficiencia de conversión de energía es bastante baja.

Para mejorar la eficiencia de conversión, el equipo de investigación ha pasado dos años desarrollando el DEG. Su densidad de potencia instantánea puede alcanzar hasta 50.1 W/m2, miles de veces más que otros dispositivos similares sin el uso de un diseño similar a FET. Y la eficiencia de conversión de energía es notablemente mayor.

El profesor Wang señala que hay dos factores cruciales para la invención. Primero, el equipo descubrió que las gotas continuas que inciden en PTFE, un material electret con una carga eléctrica casi permanente, proporciona una nueva ruta para la acumulación y el almacenamiento de cargas superficiales de alta densidad.

Descubrieron que cuando las gotas de agua golpean continuamente la superficie de PTFE, las cargas superficiales generadas se acumularán y gradualmente alcanzarán una saturación. Este nuevo descubrimiento ayudó a superar el cuello de botella de baja densidad de carga encontrado en trabajos anteriores.

Estructura única tipo transistor de efecto de campo

Otra característica clave de su diseño es un conjunto único de estructuras similares a un FET, que es una innovación ganadora del Premio Nobel de Física en 1956 y se ha convertido en el componente básico de los dispositivos electrónicos modernos en la actualidad.

El dispositivo consta de un electrodo de aluminio y un electrodo de óxido de indio y estaño (ITO) con una película de PTFE depositada sobre él. El electrodo de PTFE/ITO es responsable de la generación de carga, almacenamiento e inducción.

Cuando una gota de agua que cae golpea y se extiende sobre la superficie de PTFE/ITO, naturalmente "une" el electrodo de aluminio y el electrodo de PTFE/ITO, traduciendo el sistema original en un circuito eléctrico de circuito cerrado.

Con este diseño especial, se puede acumular una alta densidad de cargas superficiales en el PTFE a través del impacto continuo de las gotas. Mientras tanto, cuando el agua que se extiende conecta los dos electrodos, todas las cargas almacenadas en el PTFE pueden liberarse por completo para la generación de corriente eléctrica. Como resultado, tanto la densidad de potencia instantánea como la eficiencia de conversión de energía son mucho más altas.

"Nuestra investigación muestra que una gota de 100 microlitros (1 microlitro equivale a un millón de litros) de agua liberada desde una altura de 15 centímetros puede generar un voltaje de más de 140V. Y la energía generada puede encender 100 pequeñas bombillas LED", explica el profesor Wang.

El aumento en la densidad de potencia instantánea no es el resultado de energía adicional, sino de la conversión de la energía cinética del agua misma. "La energía cinética implicada en la caída del agua se debe a la gravedad y puede considerarse libre y renovable. Debería utilizarse mejor", añade.

Su investigación también muestra que la reducción de la humedad relativa no afecta la eficiencia de la generación de energía. Además, tanto el agua de lluvia como el agua de mar se pueden usar para generar electricidad.

Facilita la sostenibilidad del mundo

El profesor Wang esperaba que el resultado de esta investigación ayudaría a cosechar energía del agua para responder al problema global de escasez de energía renovable. "Generar energía a partir de las gotas de lluvia en lugar de petróleo y energía nuclear puede facilitar el desarrollo sostenible del mundo", agrega.

Él creía que a largo plazo, el nuevo diseño podría aplicarse e instalarse en diferentes superficies, donde el líquido entra en contacto con el sólido, para aprovechar al máximo la energía cinética de baja frecuencia en el agua. Esto puede variar desde la superficie del casco del ferry, la costa, hasta la superficie de los paraguas o incluso dentro de las botellas de agua.

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