Los vehículos submarinos, los robots de buceo y los detectores requieren su propio suministro de energía para operar durante largos períodos, independientemente de los barcos. Un nuevo sistema de bajo costo para la extracción electroquímica directa de energía del agua de mar ofrece la ventaja de poder también manejar picos cortos en la demanda de energía, al tiempo que mantiene una potencia constante a largo plazo. Para hacerlo, el sistema puede cambiar de forma autónoma entre dos modos de operación, según informan los investigadores.

Los mapas de las formas terrestres submarinas, las corrientes y las temperaturas, y la inspección y reparación de tuberías y cables de alta mar son solo algunos ejemplos de tareas realizadas de forma autónoma por dispositivos submarinos en las profundidades del océano. Bajo estas condiciones extremas, el desafío para los generadores de energía es producir una alta densidad de energía (tiempo de ejecución prolongado con uso básico de energía) y una alta densidad de energía (flujo de alta corriente a corto plazo) para actividades como el movimiento rápido o la acción de una pinza.

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Imitando a la naturaleza

Liang Tang, Hu Jiang, y Ming Hu y su equipo de la East China Normal University en Shanghai, la Shanghai University y la Chinese Research Academy of Environmental Sciences, en Beijing, China, se han inspirado en organismos marinos que pueden cambiar su respiración celular entre modos aeróbicos y anaeróbicos utilizando diferentes materiales como aceptadores de electrones. Los investigadores han diseñado un nuevo generador de energía que funciona según los mismos principios.

La clave del descubrimiento es un cátodo hecho de Azul de Prusia, una estructura de marco abierto con iones de cianuro como «puntales» e iones de hierro como «nodos», que pueden aceptar y liberar electrones fácilmente. Cuando se combina con un ánodo de metal, esta estructura se puede utilizar para generar electricidad a partir del agua de mar.

Si la demanda de energía es pequeña, los electrones que fluyen hacia el cátodo se transfieren directamente al oxígeno disuelto. Debido a que el oxígeno disuelto en el agua de mar es inagotable, teóricamente se puede suministrar energía a baja corriente por un tiempo ilimitado. Sin embargo, la concentración de oxígeno disuelto es baja. Cuando la demanda de energía, y por lo tanto la corriente, aumenta considerablemente, no hay suficiente oxígeno en el cátodo para absorber de inmediato todos los electrones entrantes.

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Por lo tanto, el Azul de Prusia debe almacenar estos electrones al reducir el estado de oxidación de los átomos de hierro de +3 a +2. Para mantener un equilibrio de carga, los iones de sodio cargados positivamente se alojan dentro del marco. Debido a que estos están presentes en una alta concentración en el agua de mar, muchos iones de sodio, y por lo tanto muchos electrones, pueden ser absorbidos en poco tiempo. Cuando la demanda actual disminuye, los electrones se transfieren al oxígeno una vez más, el oxígeno regenera el marco, el Fe (2+) se oxida a Fe (3+).

Este nuevo sistema es muy estable en el agua de mar corrosiva y puede soportar numerosos interruptores de modo. Ha funcionado continuamente durante cuatro días en su modo de alta energía sin perder energía. El modo de alta potencia fue capaz de suministrar 39 diodos emisores de luz y una hélice.

El estudio científico ha sido publicado en Angewandte Chemie.