Cómo una sola gota de agua puede generar 140 voltios de energía

El nuevo sistema utiliza la energía de la caída de la gota para encender cien focos LED y fue creado por la Universidad de Hong Kong.

La energía hidroeléctrica no es nada nuevo: no en vano, el 70% de la superficie terrestre está cubierta de agua y el ser humano ha visto una oportunidad para conseguir aprovechar la fuerza cinética de mareas y olas, incluso de las gotas de agua. Sin embargo, hasta ahora no se ha conseguido un sistema eficiente que convierta todo este poder en energía eléctrica. Ahora, un equipo de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha conseguido elaborar un prototipo de generador que es capaz de, con tan solo una gota de agua a una altura de 15 centímetros, generar un voltaje de más de 140 voltios, encendiendo hasta 100 pequeñas bombillas LED, según ABC.

El equipo desarrollado presenta una estructura similar a un transistor de efecto de campo (FET), que permite una alta eficiencia de conversión de energía. De hecho, consiguieron que la densidad de potencia instantánea aumentara miles de veces en comparación con otros sistemas similares sin estructura tipo FET. "Esto ayudaría a avanzar en la investigación científica de la generación de energía del agua y abordar la crisis energética", explican los autores de un reciente estudio publicado en Nature.

Hasta ahora, un generador de energía de gotas convencional, basado en el efecto triboeléctrico, podía generar electricidad inducida por electrificación de contacto con otro material o por inducción electrostática cuando una gota golpea una superficie. Sin embargo, la cantidad de cargas generadas es limitada y la eficiencia de conversión en energía es bastante baja. Por ello, el equipo desarrolló las mejoras que permiten al equipo mejorar en miles de veces su potencia instantánea.

Dos ventajas cruciales del nuevo diseño

Wang Zuankai, del Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU, señala que hay dos factores cruciales en este nuevo prototipo. Por un lado, el equipo descubrió que las gotas continuas que inciden en PTFE, un material llamado electret con una carga eléctrica casi permanente, proporciona una nueva ruta para la acumulación y el almacenamiento de cargas superficiales de alta densidad. Hallaron que cuando las gotas de agua golpean continuamente la superficie de PTFE, las cargas superficiales generadas se acumulan y gradualmente alcanzan una saturación. Este nuevo descubrimiento ayudó a superar las limitaciones de baja densidad de carga de los equipos anteriores.

Por otro lado, el diseño basado en estrucutras FET, que se han convertido en un componente básico de los dispositivos electrónicos modernos, ayuda a 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.

La figura a es el diagrama esquemático del generador de electricidad basado en gotas (DEG). La figura b es la imagen óptica que muestra cuatro dispositivos DEG paralelos fabricados en el sustrato de vidrio. - City University of Hong Kong / Nature

Desde un barco a un paraguas

"Nuestra investigación muestra que una gota de 100 microlitros (1 microlitro es igual 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", afirma Wang, quien agrega que 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. Es decir, que se aprovecha algo que, hasta ahora, había sido descartado. «La energía cinética implicada en la caída del agua se debe a la gravedad y puede considerarse libre y renovable. Debería utilizarse mejor».

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.

El profesor Wang esperaba que el resultado de esta investigación ayude a «cosechar» energía del agua para responder al problema global de escasez de energía renovable, utilizando la energía cinética que puede generarse en el casco de un barco hasta la superficie de un paraguas. «Generar energía a partir de las gotas de lluvia en lugar de petróleo y energía nuclear puede facilitar el desarrollo sostenible del mundo», afirma.

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