Fotografía del experimento al aire libre en el techo del MIT. El dispositivo generador de vapor está montado sobre un recipiente con agua, colocado en una mesa pequeña, y parcialmente rodeado por un simple, concentrador solar transparente. Los investigadores midieron la temperatura del vapor producido durante el transcurso del día de la prueba, 21 de octubre, 2017. Crédito:investigadores, Thomas Cooper et al .
Los ingenieros del MIT han construido un dispositivo que absorbe suficiente calor del sol para hervir agua y producir vapor "sobrecalentado" a más de 100 grados Celsius. sin ninguna óptica cara.
En un día soleado, la estructura puede bombear pasivamente vapor lo suficientemente caliente como para esterilizar equipos médicos, así como para cocinar y limpiar. El vapor también puede suministrar calor a procesos industriales, o podría recolectarse y condensarse para producir desalinizado, agua potable destilada.
Los investigadores desarrollaron previamente una estructura similar a una esponja que flotaba en un recipiente con agua y convertía el agua que absorbía en vapor. Pero una gran preocupación es que los contaminantes en el agua causaron que la estructura se degradara con el tiempo. El nuevo dispositivo está diseñado para suspenderse sobre el agua, para evitar cualquier posible contaminación.
El dispositivo suspendido tiene aproximadamente el tamaño y el grosor de una pequeña tableta digital o lector electrónico, y está estructurado como un sándwich:la capa superior está hecha de un material que absorbe eficientemente el calor del sol, mientras que la capa inferior emite eficazmente ese calor al agua que se encuentra debajo. Una vez que el agua alcanza el punto de ebullición (100 C), libera vapor que vuelve a subir al dispositivo, donde se canaliza a través de la capa intermedia, un material similar a una espuma que calienta aún más el vapor por encima del punto de ebullición, antes de que se bombee a través de un solo tubo.
"Es un sistema completamente pasivo, simplemente déjelo afuera para que absorba la luz del sol, "dice Thomas Cooper, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de York, quien dirigió el trabajo como postdoctorado en el MIT. "Podría escalar esto a algo que podría usarse en climas remotos para generar suficiente agua potable para una familia, o esterilizar equipo para un quirófano ".
Fotografía de gotas de vapor generadas por el sol que se elevan a través de un rayo de luz solar simulada durante un experimento de laboratorio con la estructura de evaporación solar sin contacto. Crédito:George W. Ni
Los resultados del equipo se detallan en un artículo que se publicará en Comunicaciones de la naturaleza . El estudio incluye investigadores del laboratorio de Gang Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética en el MIT.
Una combinación inteligente
En 2014, El grupo de Chen informó la primera demostración de un sencillo, generador de vapor solar, en forma de espuma de carbono recubierta de grafito que flota en el agua. Esta estructura absorbe y localiza el calor del sol en la superficie del agua (de lo contrario, el calor penetraría a través del agua). Desde entonces, su grupo y otros han buscado mejorar la eficiencia del diseño con materiales de diferentes propiedades de absorción solar. Pero casi todos los dispositivos han sido diseñados para flotar directamente sobre el agua, y todos se han topado con el problema de la contaminación, ya que sus superficies entran en contacto con la sal y otras impurezas del agua.
El equipo decidió diseñar un dispositivo que, en cambio, esté suspendido sobre el agua. El dispositivo está estructurado para absorber energía solar de onda corta, que a su vez calienta el dispositivo, haciendo que vuelva a irradiar este calor, en forma de radiación infrarroja de longitud de onda más larga, al agua de abajo. Curiosamente, los investigadores señalan que las longitudes de onda infrarrojas son absorbidas más fácilmente por el agua, versus longitudes de onda solares, que simplemente pasaría a través.
Para la capa superior del dispositivo, eligieron un compuesto de cerámica de metal que es un absorbente solar de alta eficiencia. Cubrieron la capa inferior de la estructura con un material que emite calor infrarrojo de manera fácil y eficiente. Entre estos dos materiales, intercalaron una capa de espuma de carbono reticulada, esencialmente, un material parecido a una esponja tachonado de túneles y poros serpenteantes, que retiene el calor entrante del sol y puede calentar aún más el vapor que se eleva a través de la espuma. Los investigadores también colocaron un pequeño tubo de salida en un extremo de la espuma, a través del cual todo el vapor puede salir y ser recogido fácilmente.
Fotografía de la estructura de evaporación solar sin contacto en capas desmontada que muestra (de abajo hacia arriba):depósito de agua; carcasa de sobrecalentador y espuma de carbono vítreo reticulado; superficie selectiva; y acristalamiento de polímero transparente. Crédito:Thomas A. Cooper
Finalmente, colocaron el dispositivo sobre un recipiente con agua y rodearon toda la instalación con una carcasa de polímero para evitar que se escape el calor.
"Es esta ingeniosa ingeniería de diferentes materiales y la forma en que están dispuestos lo que nos permite lograr eficiencias razonablemente altas con esta disposición sin contacto". "Dice Cooper.
Todo vapor
Los investigadores primero probaron la estructura realizando experimentos en el laboratorio, utilizando un simulador solar que imita las características de la luz solar natural en diferentes intensidades controladas. Descubrieron que la estructura podía calentar una pequeña palangana de agua hasta el punto de ebullición y producir vapor sobrecalentado. a 122 C, en condiciones que simulaban la luz solar producida en un claro, día soleado. Cuando los investigadores aumentaron esta intensidad solar en 1,7 veces, encontraron que el dispositivo producía vapor aún más caliente, a 144 C.
El 21 de octubre 2017, probaron el dispositivo en el techo del edificio 1 del MIT, en condiciones ambientales. El día estaba claro y brillante y aumentar aún más la intensidad del sol, Los investigadores construyeron un concentrador solar simple:un espejo curvo que ayuda a recolectar y redirigir más luz solar al dispositivo. elevando así el flujo solar entrante, similar a la forma en que se puede usar una lupa para concentrar un rayo de sol para calentar un parche de pavimento.
Fotografía de la estructura de evaporación solar sin contacto que operaba en el techo del MIT en octubre de 2017. Un concentrador solar sin seguimiento permite alcanzar temperaturas de vapor de hasta 146 ° C incluso en los meses de otoño.
Con este blindaje adicional, la estructura produjo vapor en exceso de 146 C en el transcurso de 3,5 horas. En experimentos posteriores, el equipo pudo producir vapor a partir del agua de mar, sin contaminar la superficie del dispositivo con cristales de sal. En otro conjunto de experimentos, también pudieron recolectar y condensar el vapor en un matraz para producir puro, agua destilada.
Chen dice eso, además de superar los desafíos de la contaminación, El diseño del dispositivo permite que el vapor se recoja en un solo punto, en una corriente concentrada, mientras que los diseños anteriores producían una pulverización más diluida.
"Este diseño realmente resuelve el problema de las incrustaciones y el problema de la recolección de vapor, ", Dice Chen." Ahora estamos buscando hacer esto más eficiente y mejorar el sistema. Hay diferentes oportunidades, y estamos analizando cuáles son las mejores opciones a seguir ".
