Oggi, un gran numero di persone in tutto il mondo soffre di carenza di acqua potabile fresca, soprattutto nelle regioni rurali remote, causando una minaccia significativa alla vita umana e alla società. Mentre tecniche come la distillazione a membrana e l'osmosi inversa sono state utilizzate per trattare l'acqua salina e alleviare la situazione, soffrono di limitazioni come bassa produttività, costi elevati e consumi energetici elevati.

Negli ultimi anni, La generazione diretta di vapore solare (DSSG) è emersa come una tecnica praticabile per la purificazione dell'acqua. Il processo utilizza materiali fototermici in grado di assorbire elevate quantità di energia solare. Questi materiali vengono poi fatti galleggiare nell'acqua, che aiuta a mantenere il riscaldamento localizzato e genera vapore acqueo che viene successivamente condensato per ottenere acqua pulita. Gli attuali metodi DSSG hanno raggiunto i limiti dell'efficienza termica solare e del tasso di evaporazione; però, data la domanda di acqua pulita ad alto flusso nella commercializzazione su larga scala, è necessario un ulteriore aumento della velocità di evaporazione. Precedenti studi hanno cercato di farlo esplorando assorbitori per manipolare l'input e l'energia necessaria per l'evaporazione, ma la relazione tra IE e RE non è stata ancora studiata.

A tal fine, Prof Lei Miao dello Shibaura Institute of Technology, Giappone, insieme ai coautori Xiaojiang Mu e Jianhua Zhou della Guilin University of Electronic Technology, Cina, mirava a trovare un equilibrio tra IE e RE per ottimizzare le prestazioni di evaporazione in DSSG. Secondo i ricercatori, il trucco era ridurre la RE in modo che corrisponda a IE, un concetto unico chiamato energy matching. Per questo, hanno ideato un innovativo sistema di evaporazione basato su strutture a doppio strato di legno rivestito in aerogel di nanotubi di carbonio (CACW). Il progetto prevedeva tre strati di isolamento termico, che (1) ha ridotto al minimo la perdita di calore e ha impedito un improvviso calo della temperatura nell'assorbitore e (2) ha regolato il trasporto dell'acqua alla superficie di evaporazione. Il prof Miao spiega, "La regolazione della velocità dell'acqua è fondamentale per la strategia di "abbinamento energetico" impiegata nel nostro progetto. Controllando la velocità del trasporto su acqua, ci assicuriamo che il RE per l'evaporazione sia bilanciato con l'IE all'assorbitore." I risultati del loro studio sono pubblicati in RRL solare.

Per testare la velocità di trasporto dell'acqua nel sistema CACW, gli scienziati hanno valutato i tassi di evaporazione per diverse concentrazioni di nanotubi di carbonio e per fogli di legno di diverso spessore. Inoltre, hanno utilizzato il sistema per trattare campioni liquidi che emulano le acque reflue e hanno stimato la loro qualità post trattamento in termini di concentrazione di ioni, contenuto di olio, e livelli batterici. Finalmente, hanno stimato l'IE e i tassi di evaporazione al variare della velocità di trasporto dell'acqua.

L'analisi ha rivelato che le migliori prestazioni di evaporazione e la più alta efficienza di conversione dell'energia solare-vapore raggiunte con questo sistema erano 2,22 kg m ^-2 h ^-1 e 93,2%, rispettivamente, che sono superiori ad altri materiali a base di carbonio. Inoltre, l'evaporatore ha mostrato una sufficiente capacità di autopulizia insieme a un'eccellente stabilità dopo 10 cicli. L'acqua trattata ha mostrato concentrazioni di ioni metallici significativamente ridotte, livello di batteri e contenuto di olio rispetto ai campioni in ingresso, suggerendo che era adatto per bere.

Con risultati così incoraggianti, Il prof Miao lo considera un trionfo per la strategia di "abbinamento dell'energia" e crede che abbia aperto nuove strade. Lei dice, "La nostra strategia ha prodotto un miglioramento del 40% nel tasso di evaporazione insieme a un'elevata efficienza di conversione solare-vapore del 93%. Ora attendiamo con impazienza l'implementazione pratica del DSSG nella desalinizzazione dell'acqua di mare e nel trattamento delle acque reflue. In futuro, speriamo di trovare nuove idee per sviluppare ulteriormente questa tecnologia fino a quando non avremo sradicato la scarsità d'acqua".