Osmotische Energie, auch als blaue Energie bekannt, ist eine Technologie zur Erzeugung erneuerbaren Stroms durch den natürlichen Vermischungsprozess von Meer- und Süßwasser. Wenn die beiden Wasserarten aufeinandertreffen, wandern Ionen aus dem Meerwasser durch ionenselektive Membranen in den Bereich mit niedrigerem Salzgehalt, und die dabei entstehende Spannung kann gesammelt und in elektrische Energie umgewandelt werden. Trotz ihres beträchtlichen Potenzials haben Membranen, die einen schnellen Ionendurchfluss ermöglichen sollen, oft Schwierigkeiten, die Fähigkeit zur Ladungstrennung aufrechtzuerhalten und sind auch in Bezug auf die strukturelle Haltbarkeit problematisch. Daher befinden sich die meisten osmotischen Energiesysteme noch im Laborstadium.
Wissenschaftler des Labors für Nanoskala-Biologie der Ingenieurwissenschaften an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) haben in Zusammenarbeit mit Forschern des Interdisziplinären Zentrums für Elektronenmikroskopie eine technische Lösung für die oben genannten Probleme vorgestellt. Das Team unter der Leitung von Aleksandra Radenovic veröffentlichte die Ergebnisse in der Zeitschrift „Nature Energy“. Die Forscher verbesserten den Bewegungsszustand von Ionen in den Membrankanälen, indem sie die Oberfläche der Nanoporen mit winzigen Lipidbläschen, sogenannten Liposomen, beschichteten. Unter normalen Bedingungen lassen diese Nanoporen Ionen mit hoher Präzision, aber niedriger Geschwindigkeit passieren. Nach der Beschichtung mit einer Lipidschicht können bestimmte Ionen reibungsloser durch die Poren gelangen; die reduzierte Reibung erhöht die Effizienz des Ionentransports und die Gesamtleistung des Systems.
Der in der Studie verwendete schmierende Überzug basiert auf einer Lipiddoppelschicht, einer Struktur, die häufig in lebenden Zellmembranen vorkommt. Wenn zwei Schichten von Fettmolekülen mit ihren hydrophoben Schwänzen nach innen und den hydrophilen Köpfen nach außen angeordnet sind, bilden sich diese Doppelschichten von selbst. Wenn sie auf Nanoporen angewendet werden, die in Siliziumnitridmembranen eingebettet sind, ziehen die nach außen gerichteten hydrophilen Gruppen eine extrem dünne Schicht von Wassermolekülen an. Diese nur wenige Moleküle dicke Wasserschicht haftet fest an der Porenoberfläche, reduziert die direkte Wechselwirkung zwischen Ionen und Porenwand und verringert so die Reibung.
Um den Entwurf zu validieren, stellten die Forscher eine Membranprobe her, die 1000 hexagonal angeordnete, lipidbeschichtete Nanoporen enthielt. Unter Bedingungen, die den natürlichen Salzgehalt an der Grenze zwischen Meer- und Flusswasser simulierten, erreichte das System eine Leistungsdichte von etwa 15 Watt pro Quadratmeter – ein Wert, der zwei- bis dreimal höher ist als das, was mit bestehenden Polymermembran-Technologien erreicht werden kann.
Frühere Computersimulationen deuteten darauf hin, dass eine Erhöhung der Ionenflussgeschwindigkeit und -selektivität in nanofluidischen Kanälen die osmotische Energieerzeugung steigern könnte, aber experimentelle Beispiele, die beide Verbesserungen gleichzeitig erreichen, sind selten. Radenovic erklärt: „Unsere Forschung vereint die Vorteile der beiden Hauptmethoden zur Ernte osmotischer Energie: erstens Polymermembranen, die uns zur Konstruktion hochporöser Strukturen inspirierten, und zweitens nanofluidische Bauelemente, die wir zur Definition hochgeladener Nanoporen nutzten. Durch die Kombination einer skalierbaren Membranstruktur mit präzise gestalteten nanofluidischen Kanälen haben wir eine effiziente Umwandlung osmotischer Energie erreicht.“ LBEN-Forscher Ziheng Chen wies darauf hin, dass die Studie durch präzise Kontrolle der Nanoporengeometrie und Oberflächeneigenschaften die Art des Ionentransports verändert habe und damit die Forschung zur blauen Energie von der Leistungsprüfung in die Designphase überführt habe.
Der Erstautor Yunfei Teng fügte hinzu, dass die Anwendung dieser „Hydratationsschmierung“-Strategie über osmotische Energiesysteme hinausgehen könnte. Er erklärte, dass der durch Hydratationsschmierung angetriebene verbesserte Transport ein universelles Phänomen sei und dass dasselbe Prinzip auf andere Bereiche jenseits von blauen Energiegeräten ausgeweitet werden könnte. Das Projekt erhielt Unterstützung vom Interdisziplinären Zentrum für Elektronenmikroskopie der EPFL, der Nanofabrikations-Plattform, der Materialcharakterisierungsplattform und den Hochleistungsrecheneinrichtungen.
Zeitschriftenreferenz: Autoren: Yunfei Teng, Ziheng Chen, Nianduo Cai, Pratik Saud, Peiyue Li, Akhil Sai Naidu, Victor Boureau, Aleksandra Radenovic. Titel: Optimierung von Ladung und Schlupflänge in lipiddoppelschichtbeschichteten Nanofluidiken und Anwendung zur verbesserten osmotischen Energieernte. Veröffentlicht in: Nature Energy, 2026. Autoren: Yunfei Teng, Ziheng Chen, Nianduo Cai, Pratik Saud, Peiyue Li, Akhil Sai Naidu, Victor Boureau, Aleksandra Radenovic. Titel: Optimierung von Ladung und Schlupflänge in lipiddoppelschichtbeschichteten Nanofluidiken und Anwendung zur verbesserten osmotischen Energieernte. Veröffentlicht in: Nature Energy, 2026.
