Fotografia dell'esperimento all'aperto sul tetto del MIT. Il generatore di vapore è montato su una bacinella d'acqua, posto su un tavolino, e parzialmente circondato da un semplice, concentratore solare trasparente. I ricercatori hanno misurato la temperatura del vapore prodotto nel corso della giornata di test, 21 ottobre 2017. Credito:ricercatori, Thomas Cooper et al .
Gli ingegneri del MIT hanno costruito un dispositivo che assorbe abbastanza calore dal sole per far bollire l'acqua e produrre vapore "surriscaldato" più caldo di 100 gradi Celsius, senza costose ottiche.
In un giorno di sole, la struttura può pompare passivamente vapore abbastanza caldo da sterilizzare le apparecchiature mediche, così come da utilizzare in cucina e pulizia. Il vapore può anche fornire calore a processi industriali, oppure potrebbe essere raccolto e condensato per produrre desalinizzato, acqua potabile distillata.
I ricercatori hanno precedentemente sviluppato una struttura simile a una spugna che galleggiava in un contenitore d'acqua e trasformava l'acqua assorbita in vapore. Ma una grande preoccupazione è che i contaminanti nell'acqua hanno causato il degrado della struttura nel tempo. Il nuovo dispositivo è progettato per essere sospeso sull'acqua, per evitare ogni possibile contaminazione.
Il dispositivo sospeso ha le dimensioni e lo spessore di un piccolo tablet digitale o e-reader, ed è strutturato come un sandwich:lo strato superiore è realizzato con un materiale che assorbe efficacemente il calore del sole, mentre lo strato inferiore emette efficacemente quel calore all'acqua sottostante. Quando l'acqua raggiunge il punto di ebollizione (100 C), rilascia vapore che risale nel dispositivo, dove viene incanalato attraverso lo strato intermedio, un materiale simile alla schiuma che riscalda ulteriormente il vapore al di sopra del punto di ebollizione, prima che venga pompato attraverso un singolo tubo.
"È un sistema completamente passivo:lo lasci fuori per assorbire la luce del sole, "dice Thomas Cooper, assistente professore di ingegneria meccanica alla York University, che ha guidato il lavoro come postdoc al MIT. "Potresti ridimensionarlo a qualcosa che potrebbe essere utilizzato in climi remoti per generare abbastanza acqua potabile per una famiglia, o sterilizzare le apparecchiature per una sala operatoria."
Fotografia di goccioline di vapore generate dal sole che salgono attraverso un raggio di luce solare simulata durante un esperimento di laboratorio con la struttura di evaporazione solare senza contatto. Credito:George W. Ni
I risultati del team sono dettagliati in un documento che sarà pubblicato in Comunicazioni sulla natura . Lo studio include ricercatori del laboratorio di Gang Chen, il professore Carl Richard Soderberg di ingegneria energetica al MIT.
Una combinazione intelligente
Nel 2014, Il gruppo di Chen ha riportato la prima dimostrazione di un semplice, generatore di vapore solare, sotto forma di schiuma di carbonio ricoperta di grafite che galleggia sull'acqua. Questa struttura assorbe e localizza il calore del sole sulla superficie dell'acqua (altrimenti il calore penetrerebbe attraverso l'acqua). Da allora, il suo gruppo e altri hanno cercato di migliorare l'efficienza del design con materiali con diverse proprietà di assorbimento solare. Ma quasi tutti i dispositivi sono stati progettati per galleggiare direttamente sull'acqua, e tutti si sono imbattuti nel problema della contaminazione, poiché le loro superfici entrano in contatto con sale e altre impurità nell'acqua.
Il team ha deciso di progettare un dispositivo che invece è sospeso sopra l'acqua. Il dispositivo è strutturato per assorbire energia solare a onde corte, che a sua volta riscalda il dispositivo, facendo sì che riirradiasse questo calore, sotto forma di radiazione infrarossa a lunghezza d'onda maggiore, all'acqua sottostante. interessante, i ricercatori notano che le lunghezze d'onda infrarosse sono assorbite più facilmente dall'acqua, rispetto alle lunghezze d'onda solari, che passerebbe semplicemente attraverso.
Per lo strato superiore del dispositivo, hanno scelto un composito metallo-ceramica che è un assorbitore solare altamente efficiente. Hanno rivestito lo strato inferiore della struttura con un materiale che emette calore infrarosso in modo semplice ed efficiente. Tra questi due materiali, hanno inserito uno strato di schiuma di carbonio reticolata, essenzialmente, un materiale spugnoso costellato di tunnel e pori tortuosi, che trattiene il calore in arrivo dal sole e può ulteriormente riscaldare il vapore che risale attraverso la schiuma. I ricercatori hanno anche attaccato un piccolo tubo di uscita a un'estremità della schiuma, attraverso il quale tutto il vapore può uscire ed essere facilmente raccolto.
Fotografia della struttura di evaporazione solare contactless stratificata smontata che mostra (dal basso verso l'alto):bacino idrico; guscio del surriscaldatore e schiuma di carbonio vitreo reticolato; superficie selettiva; e vetri polimerici trasparenti. Credito:Thomas A. Cooper
Finalmente, hanno posizionato il dispositivo sopra una bacinella d'acqua e hanno circondato l'intera configurazione con un involucro polimerico per impedire la fuoriuscita di calore.
"È questa intelligente ingegneria di materiali diversi e il modo in cui sono disposti che ci consente di ottenere efficienze ragionevolmente elevate con questa disposizione senza contatto, "dice Cooper.
Avanti a tutto vapore
I ricercatori hanno prima testato la struttura eseguendo esperimenti in laboratorio, utilizzando un simulatore solare che imita le caratteristiche della luce solare naturale al variare, intensità controllate. Hanno scoperto che la struttura era in grado di riscaldare una piccola bacinella d'acqua fino al punto di ebollizione e produrre vapore surriscaldato, a 122 C, in condizioni che simulassero la luce solare prodotta su un ambiente limpido, giorno soleggiato. Quando i ricercatori hanno aumentato questa intensità solare di 1,7 volte, hanno scoperto che il dispositivo produceva vapore ancora più caldo, a 144 C.
Il 21 ottobre 2017, hanno testato il dispositivo sul tetto dell'edificio 1 del MIT, in condizioni ambientali. La giornata era chiara e luminosa, e per aumentare ulteriormente l'intensità del sole, i ricercatori hanno costruito un semplice concentratore solare, uno specchio curvo che aiuta a raccogliere e reindirizzare più luce solare sul dispositivo, aumentando così il flusso solare in entrata, simile al modo in cui una lente d'ingrandimento può essere utilizzata per concentrare il raggio di un sole per riscaldare un pezzo di pavimentazione.
Fotografia della struttura di evaporazione solare senza contatto in funzione sul tetto del MIT nell'ottobre 2017. Un concentratore solare senza inseguimento consente di raggiungere temperature del vapore fino a 146 °C anche nei mesi autunnali.
Con questa schermatura aggiuntiva, la struttura ha prodotto vapore superiore a 146 C nel corso di 3,5 ore. In esperimenti successivi, il team è stato in grado di produrre vapore dall'acqua di mare, senza contaminare la superficie del dispositivo con cristalli di sale. In un'altra serie di esperimenti, erano anche in grado di raccogliere e condensare il vapore in un pallone per produrre puro, acqua distillata.
Chen dice che, oltre a superare le sfide della contaminazione, il design del dispositivo consente di raccogliere il vapore in un unico punto, in un flusso concentrato, mentre i modelli precedenti producevano uno spray più diluito.
"Questo design risolve davvero il problema delle incrostazioni e il problema della raccolta del vapore, " Chen dice. "Ora stiamo cercando di rendere questo più efficiente e migliorare il sistema. Ci sono diverse opportunità, e stiamo esaminando quali sono le migliori opzioni da perseguire".
