L'approccio a energia solare della Rice University per purificare l'acqua salata con la luce del sole e le nanoparticelle è ancora più efficiente di quanto i suoi creatori credessero all'inizio.

I ricercatori del Laboratorio di nanofotonica (LANP) di Rice questa settimana hanno dimostrato di poter aumentare l'efficienza del loro sistema di desalinizzazione a energia solare di oltre il 50% semplicemente aggiungendo lenti di plastica poco costose per concentrare la luce solare in "punti caldi". I risultati sono disponibili online nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Il modo tipico per aumentare le prestazioni nei sistemi a energia solare è aggiungere concentratori solari e portare più luce, " ha detto Pratiksha Dongare, uno studente laureato in fisica applicata alla Brown School of Engineering di Rice e co-autore dell'articolo. "La grande differenza qui è che stiamo usando la stessa quantità di luce. Abbiamo dimostrato che è possibile ridistribuire quella potenza in modo economico e aumentare drasticamente il tasso di produzione di acqua purificata".

Nella distillazione a membrana convenzionale, piccante, l'acqua salata scorre su un lato di una membrana simile a un foglio mentre è fresca, l'acqua filtrata scorre attraverso l'altro. La differenza di temperatura crea una differenza nella pressione del vapore che spinge il vapore acqueo dal lato riscaldato attraverso la membrana verso il dispositivo di raffreddamento, lato a bassa pressione. Aumentare la tecnologia è difficile perché la differenza di temperatura attraverso la membrana e la risultante produzione di acqua pulita diminuiscono all'aumentare delle dimensioni della membrana. La tecnologia di "distillazione della membrana solare abilitata dalla nanofotonica" (NESMD) di Rice risolve questo problema utilizzando nanoparticelle che assorbono la luce per trasformare la membrana stessa in un elemento riscaldante azionato dal sole.

Dongare e colleghi, tra cui il co-autore principale dello studio Alessandro Alabastri, rivestire lo strato superiore delle loro membrane con a basso costo, nanoparticelle disponibili in commercio progettate per convertire più dell'80% dell'energia solare in calore. Il riscaldamento a nanoparticelle a energia solare riduce i costi di produzione, e gli ingegneri di Rice stanno lavorando per aumentare la tecnologia per applicazioni in aree remote che non hanno accesso all'elettricità.

Il concetto e le particelle utilizzate in NESMD sono stati dimostrati per la prima volta nel 2012 dal direttore di LANP Naomi Halas e dalla ricercatrice Oara Neumann, che sono entrambi coautori del nuovo studio. Nello studio di questa settimana, Hala, Dongare, Alabastri, Neumann e il fisico della LANP Peter Nordlander hanno scoperto di poter sfruttare una relazione non lineare intrinseca e precedentemente non riconosciuta tra l'intensità della luce incidente e la pressione del vapore.

Alabastri, un fisico e Texas Instruments Research Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica di Rice, utilizzato un semplice esempio matematico per descrivere la differenza tra una relazione lineare e non lineare. "Se prendi due numeri che equivalgono a 10, sette e tre, cinque e cinque, sei e quattro:otterrai sempre 10 se li sommi. Ma se il processo non è lineare, potresti quadrarli o addirittura tagliarli a cubetti prima di aggiungerli. Quindi se abbiamo nove più uno, sarebbe nove al quadrato, o 81, più uno al quadrato, che è uguale a 82. È molto meglio di 10, che è il meglio che puoi fare con una relazione lineare."

Nel caso di NESMD, il miglioramento non lineare deriva dalla concentrazione della luce solare in piccoli punti, proprio come farebbe un bambino con una lente d'ingrandimento in una giornata di sole. Concentrando la luce su un minuscolo punto della membrana si ottiene un aumento lineare del calore, ma il riscaldamento a sua volta, produce un aumento non lineare della pressione di vapore. E l'aumento della pressione spinge il vapore più purificato attraverso la membrana in meno tempo.

"Abbiamo dimostrato che è sempre meglio avere più fotoni in un'area più piccola che avere una distribuzione omogenea di fotoni su tutta la membrana, " disse Alabastri.

Hala, un chimico e ingegnere che ha trascorso più di 25 anni sperimentando l'uso di nanomateriali attivati ​​dalla luce, disse, "Le efficienze fornite da questo processo ottico non lineare sono importanti perché la scarsità d'acqua è una realtà quotidiana per circa la metà della popolazione mondiale, e un'efficiente distillazione solare potrebbe cambiarlo.

"Oltre alla purificazione dell'acqua, questo effetto ottico non lineare potrebbe anche migliorare le tecnologie che utilizzano il riscaldamento solare per guidare processi chimici come la fotocatalisi, "ha detto Hala.

Per esempio, LANP sta sviluppando una nanoparticella a base di rame per convertire l'ammoniaca in idrogeno a pressione ambiente.

Halas è lo Stanley C. Moore Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica, direttore dello Smalley-Curl Institute di Rice e professore di chimica, bioingegneria, fisica e astronomia, e scienza dei materiali e nanoingegneria.

NESMD è in fase di sviluppo presso il Centro di riso per il trattamento delle acque abilitato alle nanotecnologie (NEWT) e ha vinto finanziamenti per la ricerca e lo sviluppo dal programma di desalinizzazione solare del Dipartimento dell'energia nel 2018.