Reflective, water-permeable diatomite masks doubling output voltage of water- floating single-walled carbon nanotube thermoelectric generators

Imagina un dispositivo que puede generar electricidad sin estar enchufado a una pared o situado junto a un fuego. No necesita una fuente de calor en un lado y un sumidero de frío en el otro, como hacen la mayoría de los generadores de energía. En su lugar, crea su propia diferencia de temperatura utilizando agua y luz solar. Este es el ámbito de los generadores termoeléctricos que flotan en el agua. Funcionan bajo un principio sencillo: cuando el agua se evapora de una superficie húmeda, se lleva el calor con ella, dejando esa superficie más fría que el aire circundante. Si un material puede absorber la luz solar para mantenerse caliente mientras simultáneamente evapora agua para mantenerse frío, se forma un desfase de temperatura a través de su superficie. Ese desfase puede convertirse directamente en electricidad. Durante años, los científicos han intentado hacer que estos dispositivos flotantes sean más potentes, pero se enfrentaron a un problema obstinado. La misma luz solar que calienta el dispositivo también calienta las partes mismas que deberían permanecer frías, cancelando efectivamente la diferencia de temperatura en la que el dispositivo se basa.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Tokai en Japón ha encontrado una forma de resolver este problema tratando el lado de enfriamiento del dispositivo con una máscara especial. Descubrieron que al cubrir el área de enfriamiento con un material que refleja la luz solar pero que permite el paso del agua, podrían duplicar la electricidad que produce el dispositivo. La clave de su éxito fue un material llamado diatomita, un polvo natural compuesto por los caparazones fosilizados de algas microscópicas. Este material es naturalmente poroso y blanco. Cuando los investigadores aplicaron una capa de este material al lado de enfriamiento de su generador flotante, actuó como un espejo, rebotando el calor del sol, mientras que sus diminutos agujeros permitían que el agua viajara a través de él y se evaporara. El resultado fue un dispositivo que se mantuvo significativamente más frío en un lado, creando un desfase de temperatura mucho mayor y, por consiguiente, una señal eléctrica mucho más fuerte.

El propio dispositivo está construido a partir de una película delgada y autónoma de nanotubos de carbono de pared simple, que son formas de carbono increíblemente diminutas y con forma de tubo. Esta película es ligera, flexible y lo suficientemente fuerte como para flotar. Se coloca sobre una lámina de plástico con agujeros rectangulares recortados, lo que permite que el agua ascienda a través de la película por capilaridad, de forma muy similar a cómo el agua sube por una servilleta de papel. A medida que el agua alcanza la superficie de la película, se evapora, enfriando esa zona específica. El resto de la película, que está expuesto al sol pero no en contacto con el agua, permanece caliente. Esta diferencia de temperatura a través de la película genera un voltaje. En versiones anteriores de este dispositivo, toda la superficie, incluyendo el área de enfriamiento, absorbía la luz solar, lo que calentaba la zona de enfriamiento y debilitaba la diferencia de temperatura. Los investigadores se dieron cuenta de que, para obtener más potencia, necesitaban evitar que el sol calentara la zona de enfriamiento sin detener la evaporación del agua.

Para probar esta idea, el equipo construyó cuatro versiones diferentes del generador flotante. El primero fue un dispositivo de control sin ninguna máscara. El segundo estaba cubierto con una máscara blanca sólida hecha de resina acrílica, que reflejaba bien la luz solar pero bloqueaba el paso del agua. El tercero era una máscara de dos capas con la misma resina acrílica en la parte inferior y una capa de diatomita en la parte superior; esto reflejaba la luz pero aún bloqueaba el flujo de agua porque la resina sellaba la superficie. El cuarto dispositivo estaba cubierto solo con la capa de diatomita, que reflejaba la luz pero permitía el paso del agua a través de sus poros naturales. Colocaron todos los dispositivos en un contenedor de agua bajo un sol artificial brillante que simulaba la intensidad de un día despejado, midiendo la electricidad producida y la cantidad de agua evaporada durante treinta minutos.

Los resultados mostraron un claro ganador. El dispositivo sin máscara produjo un pequeño voltaje de 0,25 milivoltios. Los dispositivos con las máscaras blancas sólidas, que reflejaban el sol pero detenían el flujo de agua, produjeron un voltaje ligeramente superior de 0,34 milivoltios. Esta mejora demostró que reflejar la luz solar ayudaba, aunque costara algo de enfriamiento por evaporación. Sin embargo, el dispositivo con la máscara de diatomita, que tanto reflejaba el sol como dejaba pasar el agua, produjo un voltaje de 0,50 milivoltios. Esto era exactamente el doble de la producción del dispositivo sin máscara. La máscara de diatomita también permitió la mayor evaporación de agua, con 670 miligramos perdidos en treinta minutos, en comparación con los 535 miligramos del dispositivo sin máscara. La estructura porosa de la diatomita aumentó la superficie donde el agua podía convertirse en vapor, mejorando el efecto de enfriamiento mientras que su color blanco mantenía a raya el calor del sol.

Los investigadores analizaron cuidadosamente por qué esta combinación funcionó tan bien. Descubrieron que la ganancia de potencia provenía de dos fuentes distintas que se sumaban perfectamente. La primera fuente fue la reflexión de la luz solar, que evitó que el área de enfriamiento se calentara. La segunda fuente fue la continua evaporación del agua a través de la máscara porosa, que extraía activamente el calor. Al comparar los dispositivos, vieron que el simple hecho de reflejar la luz sin dejar pasar el agua daba un pequeño impulso, pero abrir la vía del agua manteniendo la reflexión daba un impulso mucho mayor. La máscara de diatomita logró hacer ambas cosas a la vez. El equipo calculó que la diferencia de temperatura a través de la película en el mejor dispositivo fue de 2,60 grados Celsius, el doble de los 1,30 grados observados en la versión sin máscara. Este aumento del doble en el desfase de temperatura condujo directamente al doble de la producción eléctrica.

Este descubrimiento es importante porque muestra una nueva forma de mejorar la recolección de energía del entorno. La mayoría de los dispositivos termoeléctricos requieren un suministro constante de calor de un lado y un suministro constante de frío del otro, lo que limita dónde pueden utilizarse. Los dispositivos que crean su propia diferencia de temperatura pueden operar en cualquier lugar donde haya agua y luz, lo que los hace ideales para sensores sin supervisión en lagos u océanos. El estudio demuestra que no es necesario cambiar el material central del generador para mejorarlo; solo es necesario diseñar la superficie que mira hacia el lado de enfriamiento. Al utilizar un material que es tanto reflectante como permeable, los investigadores crearon una capa de enfriamiento que es mucho más efectiva que cualquier diseño anterior. La máscara de diatomita, un simple compuesto de caparazones de sílice natural y un aglutinante de yeso, resultó ser la solución perfecta, ofreciendo un camino práctico hacia fuentes de energía más potentes y autosustentables para el futuro.