El agua goteaba y las luces parpadeaban. En un nuevo estudio, investigadores de Singapur describen una forma de convertir el agua que cae en electricidad usando nada más que gotas, un tubo plástico estrecho y un patrón de flujo sorprendente llamado “flujo de tapón”. Según dicen, la instalación puede convertir algo así como la lluvia en una fuente de energía limpia y renovable, suficiente para encender una docena de bombillas pequeñas.
“No hablamos de cascadas ni presas”, afirmó Siowling Soh, científico de materiales de la Universidad Nacional de Singapur y autor principal del estudio. “El agua que cae por un tubo vertical genera una cantidad sustancial de electricidad mediante un patrón específico de flujo: el flujo de tapón. Este patrón de flujo de tapón podría permitir la captación de energía pluvial para generar electricidad limpia y renovable.
Una visión diferente de la hidroelectricidad
El método es tan simple que parece una locura que nadie lo hubiera pensado antes: dejar caer agua a través de un tubo estrecho de escala milimétrica en tapones cortos y discretos: columnas de agua separadas por aire. El resultado es un método de generación de energía que supera una de las barreras más persistentes de la electroquímica y potencialmente abre las puertas a una nueva forma de producir electricidad limpia y continua a partir de la lluvia.
La ciencia detrás de esta generación de energía se basa en la misma física que permite que un globo se adhiera al cabello. Cuando dos materiales entran en contacto, sus superficies intercambian cargas eléctricas, un fenómeno conocido como electrificación por contacto. Por eso también cruje al frotar un globo contra el brazo. Cuando el agua se desliza sobre ciertos materiales, se produce un intercambio de cargas similar.
Soh y sus colegas construyeron un sencillo tubo de plástico de 32 centímetros de alto y tan solo 2 milímetros de ancho. En la parte superior, lanzaron diminutas gotas de agua —del tamaño y la velocidad de la lluvia— directamente a la abertura a través de una aguja metálica.
En lugar de formar una corriente continua, las gotas se alinearon como perlas: cortas columnas de agua separadas por bolsas de aire. Este movimiento rítmico, llamado flujo tapón, creó las condiciones ideales para la separación de cargas dentro del tubo.
La superficie interior del tubo contribuía a acumular cargas opuestas al pasar cada tapón de agua. Los cables en la parte superior e inferior recogían la electricidad resultante. Los investigadores lo denominaron una especie de “batería de lluvia”.
En una versión ampliada del experimento, el equipo alimentó agua a través de cuatro tubos en paralelo. El sistema encendió 12 luces LED durante 20 segundos.
Puede que no suene especialmente impresionante, pero la practicidad está ahí. La instalación no requirió una infraestructura enorme ni un río caudaloso. Solo necesitó gravedad y un goteo constante, algo fácilmente disponible desde los tejados o en climas lluviosos.
Los investigadores visualizan un futuro en el que los sistemas de energía de flujo continuo podrían complementar el suministro eléctrico urbano, especialmente en regiones donde la energía hidroeléctrica convencional no es viable. «Podría ser conveniente para espacios urbanos como los tejados», escriben.
Un límite centenario, roto
No es ningún secreto para los físicos que la electricidad puede surgir cuando el agua toca una superficie sólida. La interfaz entre un líquido y un sólido separa espontáneamente las cargas: los iones negativos se adhieren a la pared, mientras que los positivos fluyen cerca. Este proceso crea lo que se denomina una doble capa eléctrica.
Pero hay un inconveniente. La región donde esto ocurre —la llamada longitud de Debye— es extremadamente pequeña, del orden de unos pocos nanómetros a micras. Esto limita considerablemente la cantidad de carga que se puede recolectar, especialmente en canales más anchos, como tuberías o flujos naturales. Como resultado, los dispositivos de “corriente de flujo” que dependen de esta interfaz suelen producir una potencia insignificante. La eficiencia se vuelve prácticamente nula más allá de las 10 micras para usos prácticos.
Por eso los resultados del equipo son tan inesperados. Demostraron que cuando el agua fluye no de forma continua, sino en pequeñas partículas separadas por aire, puede superar por completo la limitación de Debye. Su configuración, con tubos de tan solo 2 milímetros de diámetro y 32 centímetros de largo, logró eficiencias de conversión energética superiores al 10% y densidades de potencia de alrededor de 100 vatios por metro cuadrado. Esto no solo es mejor que los enfoques de transmisión actuales anteriores, sino que es cinco órdenes de magnitud mejor.
Ni exactamente hidroeléctrica, ni exactamente solar
Las presas hidroeléctricas tradicionales dependen de grandes volúmenes de agua y de una ingeniería costosa. Si bien son eficientes, están limitadas geográficamente: solo funcionan donde se puede recolectar y almacenar agua a granel.
Este nuevo sistema lo evita por completo. En lugar de turbinas rotatorias, obtiene electricidad del propio movimiento del agua, no de su fuerza. Forma parte de un campo en expansión conocido como nanogeneración triboeléctrica, donde los científicos estudian cómo los materiales pueden generar energía a partir de la fricción, la flexión o (en este caso) de gotas.
Hasta ahora, la mayoría de los intentos de estos métodos presentaban dificultades de escalabilidad y eficiencia. El equipo de Soh parece haber superado esa barrera con una solución simple y elegante: dejar que el agua caiga de forma natural, al ritmo adecuado.
El equipo probó su sistema en diversas condiciones: agua del grifo, agua salada, agua caliente, agua fría… todo funcionó. Ampliaron la escala utilizando varios tubos y descubrieron que la potencia de salida aumentaba linealmente.
Quizás lo más atractivo es que los investigadores descubrieron que su sistema puede alimentarse de la lluvia natural. Dado que las gotas de lluvia tienen una velocidad terminal mayor que el caudal utilizado en el laboratorio, la lluvia real podría generar aún más energía.
También ayuda a explicar antiguos misterios de la electricidad atmosférica, como el efecto Lenard, donde el aire cerca de cascadas o olas rompientes se carga negativamente. El equipo sugiere que los flujos de tapón naturales (salpicaduras, gotitas, rocío) podrían desempeñar un papel clave.
Por supuesto, aún queda mucho por probar. Será necesario explorar la durabilidad en condiciones reales, la integración en sistemas existentes y el rendimiento a largo plazo en condiciones climáticas variables.
“La lluvia es abundante y gratuita”, dijo Soh. “Solo necesitamos encontrar mejores maneras de aprovecharla”.
Los hallazgos aparecieron en la revista ACS Central Science.
Fuente: ZME Science.
