A principios del siglo XX, la invención de las imágenes de rayos X supuso un gran avance en el conocimiento de la ciencia médica.Desde entonces, podemos ver cómo funcionan los huesos de nuestro cuerpo, sacando a la luz numerosos tratamientos nuevos.

Ahora, un enfoque similar usandoimágenes de neutronespermite visualizar el funcionamiento interno de las baterías de flujo redox, un tipo de batería que se utiliza principalmente para el almacenamiento a gran escala en sistemas de energía solar y eólica.El estudio espublicadoen el diarioComunicaciones de la naturaleza.

Poder ver el interior de estas baterías ofrece nuevas posibilidades para mejorarlas.

Una colaboración internacional entre TU/e, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Instituto Paul Scherrer en Suiza (PSI), dirigida por el investigador de TU/e ​​Antoni Forner-Cuenca, desarrolló este nuevo método utilizando imágenes de neutrones..

El avance proporciona extraordinarias imágenes en movimiento que nos ayudan a comprender el funcionamiento interno de las baterías de flujo redox.

Investigación impulsada por la curiosidad en todas las disciplinas

Más importante aún, las imágenes brindan inspiración y pautas para nuevas ideas y soluciones.Más directamente, el método puede ayudar al desarrollo de baterías de flujo redox, aunque la nueva técnica de imagen ideada por el equipo de Forner Cuenca también puede ayudar a avanzar en otras disciplinas científicas."Nuestro método es el resultado de experimentar y tomar prestado de diferentes campos. Es un ejemplo apasionante de la importancia de la investigación impulsada por la curiosidad en todas las disciplinas".

La radiografía de neutrones desempeña un papel crucial en la investigación titulada "Cuantificación de distribuciones de concentración en baterías de flujo redox con radiografía de neutrones".Forner Cuenca aprendió mucho sobre esta técnica de imagen durante su doctorado.formación, que comenzó en 2013 en el PSI.Luego, en 2017, realizó una investigación postdoctoral en el MIT, donde aprendió sobre las baterías de flujo redox.Fue entonces cuando se le encendió la bombilla en la cabeza.

El sistema siguió siendo una caja negra.

"Dentro de la batería de flujo, hay fluidos en movimiento, los llamados electrolitos. Una corriente eléctrica fluye a través de la celda cuando la batería se carga o descarga. En consecuencia, los iones y las moléculas redox en el electrolito comienzan a moverse en diferentes direcciones,resultando en cambios en la concentración de moléculas.

"Ese movimiento determina el rendimiento y la durabilidad de la batería, pero hasta la fecha, el sistema sigue siendo una caja negra. La capacidad de mirar dentro de una batería en funcionamiento y visualizar distribuciones de concentración mejoraría enormemente nuestra comprensión del sistema".

Así que un factor clave en el funcionamiento de esa batería seguía siendo un territorio inexplorado, lo que hizo pensar a Forner Cuenca."Nuestros cuerpos también están compuestos principalmente de fluidos, concretamente agua. Los rayos X pasan a través de ellos e interactúan con elementos más pesados ​​en los huesos, lo que permite verlos sin abrir el cuerpo.

"Los neutrones funcionan al revés: atraviesan fácilmente los materiales de la carcasa de la batería, pero interactúan fuertemente con las moléculas de los electrolitos líquidos".

Una nueva aplicación de la ciencia existente

"Utilizando esta propiedad fundamental de los neutrones que interactúan con ciertas moléculas, estamos utilizandoradiografía de neutronespor primera vez para observar las concentraciones de moléculas en baterías de flujo." En otras palabras, una nueva aplicación de la ciencia existente.

"Esta técnica en sí no es nueva; ya la utilizan los museos, por ejemplo, para ver de qué están hechos los objetos históricos sin dañarlos. Pero ahora también podemos utilizarla para visualizar fluidos en movimiento, como enbaterías de flujo redox".

El método utilizado por Forner-Cuenca y su equipo sigue siendo mucho más laborioso que la fotografía con rayos X y similar a la animación stop-motion.

"Para rastrear en tiempo real cómo cambia la concentración de líquidos en la batería, tomamos fotografías continuamente cada 30 segundos de la colección de neutrones que viaja a través de la batería. Juntamos esas imágenes, por así decirlo, proporcionándonos un video quemuestra cómo cambia la concentración durante el funcionamiento con batería."

Medición durante 24 horas en turnos de 10 días.

Estos experimentos se realizaron en la fuente de neutrones del PSI.Un equipo colaborativo de tres Ph.D.Los estudiantes estuvieron a cargo de los experimentos con Forner-Cuenca: Remy Jacquemond, Maxime van der Heijden y Emre Boz, quienes ahora son médicos graduados con éxito.Dado que los experimentos fueron intensos, el equipo midió durante 24 horas en varios turnos durante unos 10 días para maximizar la productividad.

"Tener la oportunidad de utilizar neutrones es una experiencia extraordinaria; sólo podemos utilizar equipos como este una vez cada dos años, en promedio. El PSI (el Instituto Paul Scherrer en Suiza, donde se llevaron a cabo los experimentos, ed.) tiene una experiencia anualcompetencia internacional de experimentos clasificados por importancia. Hemos tenido el privilegio de realizar cuatro experimentos exitosos".

"En términos de esfuerzo y experiencia, este proyecto fue un desafío y contar con tres estudiantes de doctorado colaborando fue esencial para su éxito. Estoy muy orgulloso de estos tres colegas, que trabajaron duro y colaboraron como un verdadero equipo. Esto demuestra la"El gran valor de trabajar en equipo, tanto en nuestro equipo de investigación como con colaboradores internacionales en PSI y MIT".

Muchas áreas de mejora

Según Forner Cuenca, visualizar la acción de los fluidos en baterías de flujo Redox es importante por varios motivos."Por supuesto, comprender los procesos que ocurren dentro de la batería significa que podemos desarrollar sistemas de mejor rendimiento que funcionen de manera más eficiente y tengan una vida útil más larga.

"Por lo tanto, dado que se utilizan principalmente para almacenar energía renovable procedente de la solar y la eólica, esperamos contribuir a la transición energética".Aún quedan muchos puntos de mejora, como explicaba Forner Cuenca en este artículo anterior de nuestra web.

Sin embargo, como ocurre con cualquier tecnología nueva, también ofrece otras posibilidades en el futuro."Por ejemplo, los reactores químicos se utilizan para fabricar todo tipo de productos como plásticos, cosméticos y medicamentos. Dado que nuestro método permite la visualización de moléculas orgánicas en una solución, anticipamos que otras aplicaciones industriales pueden beneficiarse de nuestra técnica de imágenes".

Estos nuevos conocimientos pueden, a su vez, conducir a métodos o ideas completamente diferentes."Eso es lo que más me emociona: alimentar la curiosidad. Después de todo, así es como desarrollamos esta nueva metodología. La investigación colaborativa y las ideas impulsadas por la curiosidad son dos elementos críticos de los descubrimientos científicos. Con el apoyo de una subvención del ERC que abarca proyectos de cielo azul,Hemos podido desarrollar este método y tenemos muchas ideas nuevas que implementar en el futuro".