Un sistema de desalinización de energía solar completamente pasivo desarrollado por investigadores del MIT y en China podría proporcionar más de 1.5 galones de agua potable fresca por hora por cada metro cuadrado de área de recolección solar. Tales sistemas podrían potencialmente servir áreas costeras áridas fuera de la red para proporcionar un fuente de agua de bajo costo.

El sistema utiliza múltiples capas de evaporadores y condensadores solares planos, alineados en una matriz vertical y coronados con aislamiento de aerogel transparente. Se describe en un artículo que aparece hoy en la revista. Ciencias de la energía y el medio ambiente , escrito por los estudiantes de doctorado del MIT Lenan Zhang y Lin Zhao, postdoctorado Zhenyuan Xu, profesora de ingeniería mecánica y jefa de departamento Evelyn Wang, y otros ocho en el MIT y en la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China.

La clave de la eficiencia del sistema radica en la forma en que utiliza cada una de las múltiples etapas para desalinizar el agua. En cada etapa, el calor liberado por la etapa anterior se aprovecha en lugar de desperdiciarlo. De este modo, El dispositivo de demostración del equipo puede lograr una eficiencia general del 385 por ciento en la conversión de la energía de la luz solar en la energía de la evaporación del agua.

El dispositivo es esencialmente un destilador solar multicapa, con un conjunto de componentes de evaporación y condensación como los que se utilizan para destilar licor. Utiliza paneles planos para absorber el calor y luego transferir ese calor a una capa de agua para que comience a evaporarse. Luego, el vapor se condensa en el siguiente panel. Esa agua se recoge mientras que el calor de la condensación del vapor pasa a la siguiente capa.

Siempre que el vapor se condense en una superficie, libera calor; en sistemas de condensador típicos, ese calor simplemente se pierde en el medio ambiente. Pero en este evaporador multicapa, el calor liberado fluye a la siguiente capa de evaporación, reciclar el calor solar y aumentar la eficiencia general.

"Cuando condensas agua, liberas energía en forma de calor, "Dice Wang." Si tienes más de una etapa, puedes aprovechar ese calor ".

Agregar más capas aumenta la eficiencia de conversión para producir agua potable, pero cada capa también agrega costo y volumen al sistema. El equipo se decidió por un sistema de 10 etapas para su dispositivo de prueba de concepto, que se probó en la azotea de un edificio del MIT. El sistema entregó agua pura que excedió los estándares de agua potable de la ciudad, a una tasa de 5.78 litros por metro cuadrado (aproximadamente 1.52 galones por 11 pies cuadrados) de área de recolección solar. Esto es más del doble de la cantidad récord producida anteriormente por cualquier sistema de desalinización pasivo con energía solar. Wang dice.

Teóricamente con más etapas de desalación y mayor optimización, Dichos sistemas podrían alcanzar niveles de eficiencia general tan altos como 700 u 800 por ciento, Dice Zhang.

A diferencia de algunos sistemas de desalinización, no hay acumulación de sal o salmueras concentradas para eliminar. En una configuración flotante, cualquier sal que se acumule durante el día simplemente se sacaría por la noche a través del material absorbente y volvería al agua de mar, según los investigadores.

Su unidad de demostración se construyó principalmente a partir de materiales fácilmente disponibles como un absorbedor solar negro comercial y toallas de papel para una mecha capilar para llevar el agua en contacto con el absorbedor solar. En la mayoría de los demás intentos de hacer sistemas de desalinización solar pasiva, el material absorbente solar y el material absorbente han sido un solo componente, que requiere materiales especializados y costosos, Wang dice. "Hemos podido desacoplar estos dos".

El componente más caro del prototipo es una capa de aerogel transparente que se utiliza como aislante en la parte superior de la pila. pero el equipo sugiere que se podrían usar otros aislantes menos costosos como alternativa. (El aerogel en sí está hecho de sílice muy barata, pero requiere un equipo de secado especializado para su fabricación).

Wang enfatiza que la contribución clave del equipo es un marco para comprender cómo optimizar tales sistemas pasivos de múltiples etapas, lo que ellos denominan desalinización multietapa térmicamente localizada. Las fórmulas que desarrollaron probablemente podrían aplicarse a una variedad de materiales y arquitecturas de dispositivos, permitiendo una mayor optimización de los sistemas basados ​​en diferentes escalas de operación o condiciones y materiales locales.

Una posible configuración sería paneles flotantes en un cuerpo de agua salada, como un estanque de embalse. Estos podrían suministrar agua dulce de manera constante y pasiva a través de tuberías hasta la orilla, siempre que el sol brille todos los días. Se podrían diseñar otros sistemas para servir a un solo hogar, quizás usando un panel plano en un tanque grande y poco profundo de agua de mar que se bombea o transporta. El equipo estima que un sistema con un área de recolección solar de aproximadamente 1 metro cuadrado podría satisfacer las necesidades diarias de agua potable de una persona. En producción, piensan que un sistema construido para satisfacer las necesidades de una familia podría construirse por alrededor de $ 100.

Los investigadores planean más experimentos para continuar optimizando la elección de materiales y configuraciones, y probar la durabilidad del sistema en condiciones realistas. También trabajarán para traducir el diseño de su dispositivo a escala de laboratorio en algo que sea adecuado para el uso de los consumidores. La esperanza es que, en última instancia, pueda desempeñar un papel en el alivio de la escasez de agua en partes del mundo en desarrollo donde la electricidad confiable es escasa pero el agua de mar y la luz solar abundan.

"Este nuevo enfoque es muy significativo, "dice Ravi Prasher, director de laboratorio asociado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y profesor adjunto de ingeniería mecánica en la Universidad de California en Berkeley, que no estuvo involucrado en este trabajo. "Uno de los desafíos en la desalinización solar basada en destilación ha sido la baja eficiencia debido a la pérdida significativa de energía en la condensación. Al recolectar eficientemente la energía de condensación, la eficiencia general de la energía solar a vapor se mejora drásticamente. … Esta mayor eficiencia tendrá un impacto general en la reducción del costo del agua producida ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.