Le centrali nucleari ea carbone sono tra le macchine più assetate della terra. Le turbine che girano al loro interno per generare elettricità richiedono tonnellate e tonnellate di vapore, e tutta quell'acqua deve provenire da qualche parte.

Studi recenti hanno stimato che circa due quinti dei prelievi di acqua dolce della nazione e il tre percento del consumo complessivo di acqua dolce vanno alla fornitura dei generatori di vapore alle grandi centrali elettriche negli Stati Uniti. Per ridurre le enormi quantità di acqua necessarie per il funzionamento di questi impianti, gli scienziati hanno iniziato a cercare nuove tecnologie che potrebbero migliorare la loro efficienza e ridurre la domanda di acqua.

Come parte di un consorzio più ampio che coinvolge partner di diverse società energetiche, università, e agenzie governative, i ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti stanno sviluppando una classe speciale di nanoparticelle che si sciolgono parzialmente quando il vapore evapora dalle torri di raffreddamento di un impianto, assorbendo una percentuale significativa del calore diffuso nell'impianto.

Per operare, gli impianti elettrici utilizzano un ciclo che utilizza vapore ad alta temperatura parzialmente condensato per azionare una grande turbina. Durante la generazione, una quantità significativa di questo vapore viene persa per evaporazione. “In ogni ciclo, c'è una quantità significativa di acqua che non possiamo recuperare, ” ha detto lo scienziato dei materiali di Argonne Dileep Singh, che sta lavorando per sviluppare le nanoparticelle specializzate.

Le nanoparticelle si basano su quella che è nota come configurazione "core-shell", in cui un rivestimento esterno solido protegge uno strato interno che può fondere al di sopra di una certa temperatura. Una volta disperso nella rete idrica dell'impianto, le nanoparticelle sono in grado di assorbire calore durante il ciclo termico. Dopo una parziale fusione, le particelle viaggiano verso la torre di raffreddamento dove si risolidificano. Il sistema è chiuso e progettato per garantire contro la dispersione dell'acqua o del vapore dell'impianto nell'ambiente.

A livello molecolare, Singh e i suoi colleghi sono particolarmente interessati alla superficie delle nanoparticelle, poiché la chimica al confine tra il metallo e l'acqua determina quanto calore possono assorbire le particelle. “Stiamo sperimentando il legame tra le particelle e le molecole d'acqua, ” ha detto.

"Ciò che vogliamo veramente sapere è quanto calore possiamo assorbire con una quantità costante di acqua per raffreddare il sistema, ” ha aggiunto. “La crescita energetica rispettosa dell'ambiente implica la preoccupazione di come gestisci le tue risorse idriche”.

Le grandi quantità di acqua necessarie per far funzionare queste strutture richiederanno la produzione di massa delle nanoparticelle una volta sviluppate commercialmente, un fatto che potrebbe potenzialmente complicare il processo di ricerca e sviluppo, ha affermato il direttore della divisione associata di Argonne, Thomas Ewing. “Quando iniziamo i test di laboratorio, dobbiamo tenere a mente i costi e i problemi associati alla realizzazione di questo lavoro in una vera centrale elettrica dal vivo, ” ha detto. "Ci sono molti compromessi da tenere in considerazione".

Secondo Ewing, Argonne sta lavorando con l'Electric Power Research Institute e altri partner per spostare rapidamente questa tecnologia di base attraverso la pipeline di sviluppo. I piani iniziali prevedono l'inizio della dimostrazione della prova di concetto quest'anno e l'inizio della distribuzione commerciale su vasta scala tra quattro anni. "È praticamente inaudito che l'industria cerchi di implementare una nuova tecnologia così rapidamente, "Ha detto Ewing. “Tuttavia, il consumo di acqua è un problema importante che limita l'espansione del potere. Se vogliamo risolvere la crisi energetica, dovremo muoverci con coraggio”.