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 costosa.
En un día soleado, la estructura puede bombear pasivamente vapor lo suficientemente caliente como para esterilizar equipos médicos, así como para usar en la cocina y la limpieza. El vapor también puede suministrar calor a los procesos industriales, o puede ser recolectado y condensado para produciragua potable destilada y desalada.
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 la degradación de la estructura con el tiempo. El nuevo dispositivo está diseñadopara ser suspendido 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 eficientementecalentar 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 la espuma que calienta aún más el vapor de arribael punto de ebullición, antes de bombearlo a través de un solo tubo.
"Es un sistema completamente pasivo, simplemente lo dejas afuera para que absorba la luz solar", 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 aalgo que podría usarse en climas remotos para generar suficiente agua potable para una familia, o esterilizar equipos para una sala de operaciones ".
Los resultados del equipo se detallan en un documento que se publicará en Comunicaciones de la naturaleza . El estudio incluye investigadores del laboratorio de Gang Chen, el Profesor Carl Richard Soderberg de Ingeniería Eléctrica en el MIT.
una combinación inteligente
En 2014, el grupo de Chen informó la primera demostración de un generador de vapor simple, impulsado por energía solar, en forma de una espuma de carbono cubierta de grafito que flota en el agua. Esta estructura absorbe y localiza el calor del sol en la superficie del agua elde lo contrario, el calor penetraría a través del agua. Desde entonces, su grupo y otros han tratado de 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, yTodos se han topado con el problema de la contaminación, ya que sus superficies entran en contacto con la sal y otras impurezas en el agua.
El equipo decidió diseñar un dispositivo que, en cambio, está suspendido sobre el agua. El dispositivo está estructurado para absorber energía solar de longitud de onda corta, lo que a su vez calienta el dispositivo, haciendo que irradie este calor, en forma de longitud de onda más largaradiación infrarroja, hacia el agua debajo. Curiosamente, los investigadores señalan que las longitudes de onda infrarrojas son más fácilmente absorbidas por el agua, en comparación con las longitudes de onda solares, que simplemente pasarían directamente.
Para la capa superior del dispositivo, eligieron un compuesto cerámico de metal que es un absorbente solar altamente eficiente. Revestieron la capa inferior de la estructura con un material que emite fácilmente y eficientemente calor desprendido. Entre estos dos materiales, intercalan una capa de reticuladoEspuma de carbono: esencialmente, un material similar a una esponja tachonado de túneles y poros sinuosos, que retiene el calor entrante del sol y puede calentar aún más el vapor que se eleva a través de la espuma.la espuma, a través de la cual todo el vapor puede salir y recogerse fácilmente
Finalmente, colocaron el dispositivo sobre un recipiente con agua y rodearon toda la configuración con una carcasa de polímero para evitar que el calor se escape.
"Es esta ingeniosa ingeniería de diferentes materiales y cómo están organizados lo que nos permite lograr eficiencias razonablemente altas con esta disposición sin contacto", dice Cooper.
A todo vapor por delante
Los investigadores primero probaron la estructura ejecutando experimentos en el laboratorio, utilizando un simulador solar que imita las características de la luz solar natural a intensidades controladas variables. Descubrieron que la estructura podía calentar una pequeña cuenca de agua hasta el punto de ebullicióny produce vapor sobrecalentado, a 122 ° C, en condiciones que simulan la luz solar producida en un día claro y soleado. Cuando los investigadores aumentaron esta intensidad solar en 1,7 veces, descubrieron que el dispositivo producía vapor aún más caliente, a 144 ° C.
El 21 de octubre de 2017, probaron el dispositivo en el techo del Edificio 1 del MIT, en condiciones ambientales. El día era claro y brillante, y para aumentar aún más la intensidad del sol, los investigadores construyeron un concentrador solar simple: unespejo curvo que ayuda a recolectar y redirigir más luz solar hacia el dispositivo, elevando así el flujo solar entrante, de manera similar a la forma en que una lupa se puede usar para concentrar el rayo de sol para calentar un parche de pavimento.
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 recoger y condensar el vapor en un matraz para producir agua destilada pura.
Chen dice que, 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 viendo cuáles sonmejores opciones para perseguir "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :