La generación eficiente de electricidad a partir de gotas de lluvia ha prosperado con un nuevo dispositivo en el que una única gota genera 140 vatios de potencia, iluminando 100 bombillas LED.

Este generador de energía basado en gotas (DEG) —desarrollado por científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) y presentado en Nature— cuenta con una estructura similar a un transistor de efecto de campo (FET), que permite una alta eficiencia de conversión de energía y aumenta la densidad de potencia instantánea 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 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 convierte 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 Zuankai, del Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU y autor principal, señala que hay dos factores cruciales para la invención. Primero, el equipo descubrió que las gotas continuas que inciden en PTFE, un material 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

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 cm 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.

Fuente: El periódico de la energía