La energía hidroeléctrica, que genera electricidad haciendo girar turbinas con agua corriente, solo puede utilizarse donde hay una gran cantidad de agua en movimiento, como en los ríos. Investigadores de Singapur trabajan en una nueva tecnología de generación de energía que produce electricidad a partir de movimientos muy pequeños de agua, como las gotas de lluvia. Afirman que es posible extraer pequeñas cantidades de electricidad de forma estable simplemente mediante la caída natural del agua a través de un tubo delgado.
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Generación de electricidad renovable
La tecnología utiliza un flujo especial denominado «flujo tapón», en el que el agua y el aire fluyen de forma alternada para generar electricidad. Cuando el agua fluye por el interior del tubo, separa la carga eléctrica en el punto de contacto con la pared interna, que luego es extraída en forma de corriente eléctrica por electrodos fijados en la parte superior e inferior del tubo.
La teoría convencional sugería que este mecanismo solo podía utilizarse con tubos muy finos, a escala nanométrica. Esto se debía a que, por limitaciones físicas en la interfaz entre el líquido y la superficie, la separación de cargas solo podía producirse en capas muy delgadas. Sin embargo, el agua no puede fluir de forma natural en estos tubos ultrafinos debido a interacciones como la tensión superficial y la presión capilar. Aunque se puede generar el flujo de agua aplicando una fuerte presión con una bomba, esto requiere más energía de la que se logra producir, lo que lo hace poco práctico.
Esta investigación superó dichas limitaciones utilizando tubos de apenas un milímetro de grosor. La estructura del flujo del agua dentro de ellos permite separar las cargas eléctricas, y los investigadores consiguieron extraer de forma estable una energía que no podría obtenerse con un flujo continuo. «Con la aplicación del flujo tapón, quizá sea posible aprovechar la energía de la lluvia para generar electricidad limpia y renovable», explica Shaulin Soh, profesor asociado de la Universidad Nacional de Singapur, especializado en ingeniería química.
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Soh y su equipo diseñaron un sencillo montaje experimental que consistía en un tubo vertical de fluoropolímero, de 2 mm de diámetro y 32 cm de altura. Cuando el agua cae espontáneamente desde la parte superior del dispositivo, entra en el tubo a través de una aguja metálica, luego se forma en su interior un flujo alternante de agua y aire. En el momento en que el borde de salida de esta columna de agua se despega de la pared interna del tubo, se produce una reorganización de cargas: los iones de hidrógeno son arrastrados hacia el agua, mientras que los iones de hidróxido permanecen en la pared. Esto provoca una separación espacial de cargas positivas y negativas y genera una fuerte diferencia de potencial.
Es poco probable que esta separación de cargas ocurra en un flujo continuo. Si el agua se encuentra conectada de manera constante, la electricidad se anula rápidamente y no puede extraerse como energía útil. Solo cuando el agua y el aire se presentan de forma alterna en un «flujo separado», la electricidad se acumula y puede ser extraída.
La carga separada es recogida por conductores conectados a la parte superior e inferior del tubo, y puede utilizarse como una corriente estable. Según los investigadores, la salida máxima de un solo tubo es de 440 microvatios, lo que representa una alta densidad de potencia, de aproximadamente 100 microvatios por metro cuadrado. Además, esto se logró sin ningún tipo de energía externa, como una bomba, solo dejando caer el agua de forma natural. Se estima que la eficiencia de conversión de energía potencial en electricidad supera actualmente el 10%.
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El futuro de la generación de electricidad
En este experimento se generó electricidad suficiente para encender LEDs, a pesar de que la velocidad de caída de las gotas era inferior a la de la lluvia natural. Además, cuando se utilizaron dos tubos, la cantidad de energía se duplicó. Con cuatro tubos se logró encender, de forma continua durante más de 20 segundos, un conjunto de 12 LEDs.
Esta alta escalabilidad está directamente relacionada con la viabilidad práctica del sistema. Si se consigue hacer funcional la generación de energía mediante flujo tapón, podría ser posible construir sistemas que generen electricidad directamente a partir del agua de lluvia, integrándolos en infraestructuras existentes, como sistemas de drenaje urbanos y tejados de edificios.
Las ventajas de este método de generación energética van más allá de la producción eléctrica. La carga generada por el flujo tapón también puede utilizarse para inducir reacciones químicas, como la descomposición de sustancias en el agua. Asimismo, puede aplicarse al tratamiento de superficies para hacerlas más hidrofílicas, o para controlar el movimiento de pequeñas gotas de agua y partículas de polvo mediante fuerzas eléctricas.
Este método de generación eléctrica, que utiliza únicamente la gravedad y las gotas de agua, abre un nuevo campo dentro de la energía verde, distinto del de la hidroeléctrica convencional. La posibilidad de aprovechar las precipitaciones urbanas para generar electricidad podría representar una contribución pequeña, pero significativa, hacia una sociedad más sostenible.