Foto: Nature
MEĐUNARODNI TIM znanstvenika, u čijem je radu sudjelovao i hrvatski bračni par fizičara dr. sc. Aleksandra Rađenović i dr. sc. Andraš Kiš s École Polytechnique Fédéralede Lausanne (EPFL) u Švicarskoj, nedavno je u prestižnom znanstvenom časopisu Nature objavio rad koji predstavlja značajan korak unaprijed u razvoju malo poznate vrste obnovljive energije - 'plave energije', odnosno osmoze, koja ima veliku budućnost.
O ovom sjajnom otkriću izvijestili su brojni znanstveni mediji širom svijeta.
Kako proces osmoze stvara energiju?
Osmoza je prirodni proces izjednačavanja koncentracija otopina s dvije strane polupropusne membrane. U njemu otapalo (najčešće) ili čestice otopljene tvari (u određenim okolnostima) prelaze s jedne strane membrane na drugu sve dok se koncentracije otopina ne izjednače.
Primjerice, soljenje mesa je proces utemeljen na osmozi. Velike koncentracije soli na vanjskoj strani mesa kroz membrane stanica mesa 'izvlače' vodu pa se meso suši i konzervira.
U metodi koju su, zajedno sa svojim kolegama, razvili naši znanstvenici, energija se dobiva kada se između slane morske i slatke riječne vode postavi membrana s nanoporama, sićušnim rupicama dimenzija nešto većih od atoma. Ioni soli (Na+ i Cl–) prolaze kroz membranu iz spremnika veće koncentracije (slane morske vode), u područje manje koncentracije (slatke riječne vode). Budući da je membrana od jednoslojnog molibden disulfida (MoS2), predstavljena u novom radu, prirodno negativno nabijena pri pH5 (pH vode pri 25 °C je 7), na drugu stranu, kroz nanopore, prolaze samo pozitivno nabijeni ioni; negativne membrana odbija. Na taj način između dvije strane razvija se razlika u naboju, odnosno stvara se napon kao u bateriji, koji se može koristiti kao izvor energije (pogledajte video dolje).
Ta metoda, poznata kao reverzna elektrodijaliza (RED), do nedavno je imala značajno manju učinkovitost. Francuski znanstvenici njome su 2013. uspjeli ostvariti teorijsku snagu od oko 1000 W po četvornom metru membrane.
No naši znanstvenici, zajedno sa svojim kolegama iz Švicarske i SAD-a, predstavili su tehniku koja bi teorijski mogla imati mnogo veću učinkovitost – čak 1 MW po četvornom metru membrane čijih bi 30 posto bilo pokriveno nanoporama! Za ilustraciju to je snaga kojom bi se moglo napajati 50.000 standardnih štednih žarulja.
Odakle tolika učinkovitost?
Kako je u novoj metodi ostvarena toliko velika učinkovitost, čak tisuću puta veća od one postignute 2013. godine?
Ključna tajna sastoji se u tome da je membrana od molibden disulfida izuzetno tanka – sastoji se od samo jednog sloja molekula tako da je debela samo tri atoma, odnosno 0,65 nm (nanometara). Time se postiže velika efikasnost jer ioni tijekom svojeg prelaska s jedne strane na drugu ne moraju obavljati veliki rad. Naime, poznato je da rad ovisi o sili koja se savladava na nekom putu. Što je put duži, rad je veći, pa je veća i energija koja se troši. U ovom slučaju ioni, krećući se kroz vodu, savladavaju sile trenja. Na taj način, stanjivanjem membrane, smanjuje se unutrašnja potrošnja energije u velikoj 'bateriji'.
Značaj nove metode
Rađenović je za Index pojasnila da je nova metoda, osim zbog velike efikasnosti, također važna i zbog svoje postojanosti.
'Najpoznatiji obnovljivi izvori energije, kao što su Sunčeve zrake i vjetar, vrlo su nepostojani. Primjerice, kada je Sunce u zenitu, solarne elektrane stvaraju velike količine energije, a kada ga nema, za oblačnih dana ili po noći, proizvodnja slabi ili staje', rekla je Rađenović za Index.
Ovakva nepostojanost predstavlja veliki problem za sustave opskrbe električnom energijom jer oni moraju raspolagati s mehanizmima za pohranjivanje golemih količina električne energije. Većina zemalja svijeta jednostavno nema takve mehanizme. Primjerice, energija se u brdovitim zemljama može pohranjivati tako da se, u razdobljima kada je ima viška, voda pumpa uvis u umjetna akumulacijska jezera iz kojih se potom, kada se pojavi potreba za energijom, u vodenim turbinama može ponovno pretvarati u električnu energiju. No, nemaju baš sve zemlje ni velike planine niti takve mogućnosti.
Tehnološki problemi koje treba riješiti
Rezultati predstavljeni u Natureu, kao i brojke koje se uz njih vezuju, zvuče impresivno. Međutim, treba istaknuti da će na njihovu praktičnu primjenu ipak trebati malo pričekati jer će prvo trebati riješiti neke tehnološke probleme. Naime, da bi ova tehnologija postala komercijalno iskoristiva, trebat će prije svega stvoriti membrane velikih površina s velikim brojem ravnomjerno raspoređenih nanopora. One će pritom morati biti dovoljno robusne za industrijsku primjenu, a također će trebati razviti tehnologiju koja će spriječiti da se začepljuju nečistoćama iz riječnih i morskih voda.
Rađenović smatra da su rješenja za neke od navedenih problema na dohvat ruke.
'To je prvi put da su u ovoj vrsti primjene korišteni tzv. dvodimenzionalni materijali, a oni su i do 300 puta čvršći od čelika. Ipak, na debljinama manjim od nanometra svaka industrijska primjena zahtijevala bi robusnije membrane. Moguće rješenje je da se deblji materijali poput poroznog aluminijeva oksida, formirani u obliku sača, upotrijebe kao nosači membrana', pojasnila je za Index čelnica laboratorija za nanobiologiju na EPFL-u.
Rađenović ističe da je teško procijeniti kada će njihova tehnologija konačno postati primjenjiva u komercijalnim elektranama.
'Takve procjene ovise o interesima industrije, ali i o političkoj volji. Primjerice, Njemačka jako puno ulaže u solarnu energiju tako da već sada oko sedam posto svojih potreba dobiva iz nje', pojasnila je Rađenović.