Un sistema di desalinizzazione completamente passivo a energia solare sviluppato dai ricercatori del MIT e in Cina potrebbe fornire più di 1,5 galloni di acqua potabile fresca all'ora per ogni metro quadrato di area di raccolta solare. Tali sistemi potrebbero potenzialmente servire le aree costiere aride off-grid per fornire un efficiente, fonte d'acqua a basso costo.

Il sistema utilizza più strati di evaporatori e condensatori solari piani, allineati in una matrice verticale e sormontati da un isolamento in aerogel trasparente. È descritto in un articolo apparso oggi sulla rivista Scienze energetiche e ambientali , scritto dagli studenti di dottorato del MIT Lenan Zhang e Lin Zhao, postdoc Zhenyuan Xu, professore di ingegneria meccanica e capo dipartimento Evelyn Wang, e altri otto al MIT e alla Shanghai Jiao Tong University in Cina.

La chiave dell'efficienza del sistema risiede nel modo in cui utilizza ciascuna delle molteplici fasi per desalinizzare l'acqua. In ogni fase, il calore rilasciato dalla fase precedente viene sfruttato anziché sprecato. In questo modo, il dispositivo dimostrativo del team può raggiungere un'efficienza complessiva del 385% nel convertire l'energia della luce solare nell'energia dell'evaporazione dell'acqua.

Il dispositivo è essenzialmente un alambicco solare multistrato, con un insieme di componenti evaporanti e condensanti come quelli usati per distillare i liquori. Utilizza pannelli piatti per assorbire il calore e quindi trasferire quel calore a uno strato d'acqua in modo che inizi ad evaporare. Il vapore poi si condensa sul pannello successivo. che l'acqua viene raccolta, mentre il calore della condensazione del vapore viene passato allo strato successivo.

Ogni volta che il vapore si condensa su una superficie, rilascia calore; nei tipici sistemi a condensatore, che il calore viene semplicemente disperso nell'ambiente. Ma in questo evaporatore multistrato il calore rilasciato fluisce allo strato evaporante successivo, riciclare il calore solare e aumentare l'efficienza complessiva.

"Quando si condensa l'acqua, rilasci energia sotto forma di calore, " dice Wang. "Se hai più di uno stadio, puoi approfittare di quel caldo."

L'aggiunta di più strati aumenta l'efficienza di conversione per la produzione di acqua potabile, ma ogni livello aggiunge anche costi e volume al sistema. Il team ha optato per un sistema a 10 fasi per il proprio dispositivo di prova, che è stato testato sul tetto di un edificio del MIT. Il sistema ha fornito acqua pura che ha superato gli standard di acqua potabile della città, ad una velocità di 5,78 litri per metro quadrato (circa 1,52 galloni per 11 piedi quadrati) di area di raccolta solare. Questo è più del doppio della quantità record prodotta in precedenza da qualsiasi sistema di desalinizzazione passivo a energia solare, dice Wang.

Teoricamente, con più fasi di desalinizzazione e ulteriore ottimizzazione, tali sistemi potrebbero raggiungere livelli di efficienza complessiva fino al 700 o 800 percento, dice Zhang.

A differenza di alcuni sistemi di desalinizzazione, non vi è accumulo di sale o salamoie concentrate da smaltire. In una configurazione flottante, qualsiasi sale che si accumula durante il giorno verrebbe semplicemente riportato di notte attraverso il materiale traspirante e riportato nell'acqua di mare, secondo i ricercatori.

La loro unità dimostrativa è stata costruita principalmente da poco costoso, materiali facilmente reperibili come un assorbitore solare nero commerciale e asciugamani di carta per uno stoppino capillare per portare l'acqua a contatto con l'assorbitore solare. Nella maggior parte degli altri tentativi di realizzare sistemi di desalinizzazione solare passivi, il materiale dell'assorbitore solare e il materiale traspirante sono stati un unico componente, che richiede materiali specializzati e costosi, dice Wang. "Siamo stati in grado di disaccoppiare questi due."

Il componente più costoso del prototipo è uno strato di aerogel trasparente utilizzato come isolante in cima allo stack, ma il team suggerisce che in alternativa potrebbero essere utilizzati altri isolanti meno costosi. (L'aerogel stesso è realizzato con silice a buon mercato ma richiede attrezzature di essiccazione specializzate per la sua fabbricazione.)

Wang sottolinea che il contributo chiave del team è un quadro per comprendere come ottimizzare tali sistemi passivi multistadio, che chiamano dissalazione multistadio termicamente localizzata. Le formule che hanno sviluppato potrebbero probabilmente essere applicate a una varietà di materiali e architetture di dispositivi, consentendo un'ulteriore ottimizzazione dei sistemi basati su diverse scale di funzionamento o condizioni e materiali locali.

Una possibile configurazione sarebbe costituita da pannelli galleggianti su un corpo di acqua salata come uno stagno di sequestro. Questi potrebbero fornire costantemente e passivamente acqua dolce attraverso tubi alla riva, finché il sole splende ogni giorno. Altri sistemi potrebbero essere progettati per servire una singola famiglia, magari utilizzando un pannello piatto su un grande serbatoio poco profondo di acqua di mare che viene pompata o trasportata. Il team stima che un sistema con un'area di raccolta solare di circa 1 metro quadrato potrebbe soddisfare il fabbisogno giornaliero di acqua potabile di una persona. In produzione, pensano che un sistema costruito per servire i bisogni di una famiglia potrebbe essere costruito per circa $ 100.

I ricercatori pianificano ulteriori esperimenti per continuare a ottimizzare la scelta dei materiali e delle configurazioni, e per testare la durabilità del sistema in condizioni realistiche. Lavoreranno anche per tradurre il design del loro dispositivo su scala di laboratorio in qualcosa che sarebbe adatto all'uso da parte dei consumatori. La speranza è che alla fine possa svolgere un ruolo nell'alleviare la scarsità d'acqua in parti del mondo in via di sviluppo dove l'elettricità affidabile è scarsa ma l'acqua di mare e la luce solare sono abbondanti.

"Questo nuovo approccio è molto significativo, "dice Ravi Prasher, direttore di laboratorio associato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e professore a contratto di ingegneria meccanica presso l'Università della California a Berkeley, chi non era coinvolto in questo lavoro. "Una delle sfide nella desalinizzazione solare è stata la bassa efficienza a causa della perdita di energia significativa nella condensazione. Raccogliendo in modo efficiente l'energia di condensazione, l'efficienza complessiva da solare a vapore è notevolmente migliorata. … Questa maggiore efficienza avrà un impatto complessivo sulla riduzione del costo dell'acqua prodotta."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.