Un tubo condensatore in rame non rivestito (in alto a sinistra) è mostrato accanto a un tubo simile rivestito di grafene (in alto a destra). Se esposto al vapore acqueo a 100 gradi Celsius, il tubo non rivestito produce un film d'acqua inefficiente (in basso a sinistra), mentre il rivestimento mostra la condensazione goccia a goccia più desiderabile (in basso a destra).
La maggior parte delle centrali elettriche per la produzione di elettricità del mondo, alimentate a carbone, gas naturale, o fissione nucleare:produrre elettricità generando vapore che fa girare una turbina. Quel vapore poi si condensa di nuovo in acqua, e il ciclo ricomincia.
Ma i condensatori che raccolgono il vapore sono abbastanza inefficienti, e migliorarli potrebbe fare una grande differenza nell'efficienza complessiva della centrale elettrica.
Ora, un team di ricercatori del MIT ha sviluppato un modo per rivestire queste superfici del condensatore con uno strato di grafene, solo un atomo di spessore, e ha scoperto che questo può migliorare la velocità di trasferimento del calore di un fattore quattro, e potenzialmente anche di più, con ulteriore lavoro. E a differenza dei rivestimenti polimerici, i rivestimenti in grafene hanno dimostrato di essere altamente durevoli nei test di laboratorio.
I risultati sono riportati sulla rivista Nano lettere dallo studente laureato del MIT Daniel Preston, professori Evelyn Wang e Jing Kong, e altri due. Il miglioramento del trasferimento di calore del condensatore, che è solo una fase del ciclo di produzione di energia, potrebbe portare a un miglioramento complessivo dell'efficienza della centrale elettrica dal 2 al 3% in base ai dati dell'Electric Power Research Institute, Preston dice:abbastanza per intaccare in modo significativo le emissioni globali di carbonio, poiché tali impianti rappresentano la stragrande maggioranza della generazione elettrica mondiale. "Ciò si traduce in milioni di dollari per centrale elettrica all'anno, " lui spiega.
Ci sono due modi fondamentali in cui i condensatori, che possono assumere la forma di tubi metallici arrotolati, spesso realizzati in rame, interagiscono con il flusso di vapore. In alcuni casi, il vapore si condensa formando un sottile velo d'acqua che ricopre la superficie; in altri forma goccioline d'acqua che vengono estratte dalla superficie per gravità.
Quando il vapore forma una pellicola, Preston spiega, che impedisce il trasferimento di calore e quindi riduce l'efficienza della condensa. Quindi l'obiettivo di molte ricerche è stato quello di migliorare la formazione di goccioline su queste superfici rendendole idrorepellenti.
Spesso ciò è stato ottenuto utilizzando rivestimenti polimerici, ma questi tendono a degradarsi rapidamente nel calore e nell'umidità elevati di una centrale elettrica. E quando i rivestimenti vengono resi più spessi per ridurre tale degrado, i rivestimenti stessi impediscono il trasferimento di calore.
"Pensavamo che il grafene potesse essere utile, "Preston dice, "dal momento che sappiamo che è idrofobo per natura." Così lui e i suoi colleghi hanno deciso di testare la capacità del grafene di disperdere l'acqua, e la sua durata, in condizioni tipiche di una centrale elettrica, un ambiente di puro vapore acqueo a 100 gradi Celsius.
Hanno scoperto che il rivestimento di grafene dello spessore di un atomo ha effettivamente quadruplicato il trasferimento di calore rispetto alle superfici in cui la condensa forma strati d'acqua, come i metalli nudi. Ulteriori calcoli hanno mostrato che l'ottimizzazione delle differenze di temperatura potrebbe aumentare questo miglioramento da 5 a 7 volte. I ricercatori hanno anche dimostrato che dopo due settimane intere in tali condizioni, non c'era degradazione misurabile nelle prestazioni del grafene.
A confronto, test simili utilizzando un comune rivestimento idrorepellente hanno mostrato che il rivestimento ha iniziato a degradarsi in sole tre ore, Preston dice, e fallito completamente entro 12 ore.
Poiché il processo utilizzato per rivestire il grafene sulla superficie del rame, chiamato deposizione chimica da vapore, è stato ampiamente testato, il nuovo metodo potrebbe essere pronto per essere testato in condizioni reali "in appena un anno, " Dice Preston. E il processo dovrebbe essere facilmente scalabile per alimentare bobine di condensazione delle dimensioni di una centrale.
"Questo lavoro è estremamente significativo perché, Che io sappia, è il primo rapporto di condensazione goccia a goccia durevole con un rivestimento superficiale a strato singolo, "dice Jonathan Boreyko, un assistente professore di ingegneria biomedica e meccanica al Virginia Tech che ha studiato la condensazione su una superficie superidrofobica. "Questi risultati sono in qualche modo sorprendenti e molto eccitanti".
Boreyko, chi non è stato coinvolto nella ricerca, aggiunge che questo metodo, se dimostrato da ulteriori test, "potrebbe migliorare significativamente l'efficienza delle centrali elettriche e di altri sistemi che utilizzano condensatori".
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.
