¿Cómo hierve el agua? Evitando el hervidor y la llama tradicionales, los ingenieros del MIT han inventado un dispositivo con forma de esponja envuelto en burbujas que absorbe la luz solar natural y calienta el agua a temperaturas de ebullición, generando vapor a través de sus poros.
El diseño, que los investigadores llaman un "generador de vapor solar", no requiere espejos o lentes costosos para concentrar la luz solar, sino que se basa en una combinación de materiales de tecnología relativamente baja para capturar la luz solar ambiental y concentrarla como calor.Luego, el calor se dirige hacia los poros de la esponja, que extraen agua y la liberan como vapor.
De sus experimentos, incluido uno en el que simplemente colocaron la esponja solar en el techo del Edificio 3 del MIT, los investigadores encontraron que la estructura calentaba el agua a su temperatura de ebullición de 100 grados Celsius, incluso en días relativamente fríos y nublados.La esponja también convirtió el 20 por ciento de la luz solar entrante en vapor.
El diseño de baja tecnología puede proporcionar alternativas económicas para aplicaciones que van desde la desalinización y el calentamiento de agua residencial, hasta el tratamiento de aguas residuales y la esterilización de herramientas médicas.
El equipo ha publicado sus resultados hoy en la revista Energía natural . La investigación fue dirigida por George Ni, un estudiante graduado del MIT; y Gang Chen, el Profesor Carl Richard Soderberg en Ingeniería Eléctrica y el jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica; en colaboración con TieJun Zhang y los miembros de su grupo Hongxia Li yWeilin Yang, del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales del Instituto de Ciencia y Tecnología de Masdar, en los Emiratos Árabes Unidos.
Construyendo el sol
El diseño actual de los investigadores se basa en una estructura absorbente de energía solar que desarrollaron en 2014: un material similar similar a una esponja flotante hecho de grafito y espuma de carbono, que fue capaz de hervir agua a 100 C y convertir el 85 por ciento delluz solar entrante a vapor.
Para generar vapor a niveles tan eficientes, los investigadores tuvieron que exponer la estructura a la luz solar simulada que era 10 veces la intensidad de la luz solar en condiciones normales y ambientales.
"Era una concentración óptica relativamente baja", dice Chen. "Pero siempre me preguntaba: '¿Podemos hervir agua básicamente en un tejado, en condiciones normales, sin concentrar ópticamente la luz solar? Esa era la premisa básica".
A la luz solar ambiental, los investigadores descubrieron que, si bien la estructura de grafito negro absorbía bien la luz solar, también tendía a irradiar calor hacia el medio ambiente. Para minimizar la cantidad de calor perdido, el equipo buscó materiales que atraparan mejor la energía solarenergía.
Una solución burbujeante
En su nuevo diseño, los investigadores se decidieron por un absorbedor espectralmente selectivo: una película delgada, azul, similar a un metal que se usa comúnmente en calentadores de agua solares y posee propiedades de absorción únicas. El material absorbe la radiación en el rango visible deel espectro electromagnético, pero no irradia en el rango infrarrojo, lo que significa que absorbe la luz solar y atrapa el calor, minimizando la pérdida de calor.
Los investigadores obtuvieron una delgada lámina de cobre, elegida por sus habilidades de conducción de calor y recubierta con el absorbente selectivamente espectral. Luego montaron la estructura en una pieza de espuma flotante térmicamente aislante. Sin embargo, encontraron que aunquela estructura no irradiaba mucho calor de regreso al medio ambiente, el calor aún se escapaba por convección, en la cual las moléculas de aire en movimiento, como el viento, naturalmente enfrían la superficie.
Una solución a este problema provino de una fuente poco probable: la hija de Chen, de 16 años, que en ese momento estaba trabajando en un proyecto de feria de ciencias en el que construyó un invernadero improvisado con materiales simples, incluido plástico de burbujas.
"¡Fue capaz de calentarlo a 160 grados Fahrenheit, en invierno!", Dice Chen. "Fue muy efectivo".
Chen propuso el material de embalaje a Ni, como una forma rentable de evitar la pérdida de calor por convección. Este enfoque permitiría la entrada de la luz solar a través del envoltorio transparente del material, mientras atrapa el aire en sus burbujas aislantes.
"Al principio era muy escéptico con la idea", recuerda Ni. "Pensé que no era un material de alto rendimiento. Pero probamos el plástico de burbujas más claro con burbujas más grandes para obtener más efecto de atrapamiento de aire, y resulta que,funciona. Ahora, debido a este plástico de burbujas, no necesitamos espejos para concentrar el sol ".
La envoltura de burbujas, combinada con el absorbente selectivo, evitó que el calor escapara de la superficie de la esponja. Una vez que el calor quedó atrapado, la capa de cobre condujo el calor hacia un solo orificio o canal que los investigadores habían perforado a través de la estructuraCuando colocaron la esponja en el agua, descubrieron que el agua se deslizaba por el canal, donde se calentaba a 100 ° C y luego se convertía en vapor.
Chen y Ni dicen que los absorbedores solares basados en este diseño general podrían usarse como láminas grandes para desalinizar pequeños cuerpos de agua o para tratar aguas residuales. Ni dice que otras tecnologías basadas en energía solar que dependen de tecnologías de concentración óptica generalmente están diseñadas paraduran de 10 a 20 años, aunque requieren piezas costosas y mantenimiento. Este nuevo diseño de baja tecnología, dice, podría funcionar durante uno o dos años antes de necesitar ser reemplazado.
"Aun así, el costo es bastante competitivo", dice Ni. "Es una especie de enfoque diferente, donde antes, las personas estaban haciendo [alta tecnología y absorbentes solares] a largo plazo. Estamos haciendo baja tecnología ytérmino corto."
"Lo que nos fascina es la idea innovadora detrás de este dispositivo económico, donde hemos diseñado creativamente este dispositivo basado en la comprensión básica de la capilaridad y la radiación solar térmica. Mientras tanto, estamos entusiasmados de seguir investigando la complicada física de la generación de vapor solar y dedescubrir nuevos conocimientos para la comunidad científica ", dice Zhang.
Esta investigación fue financiada, en parte, por un acuerdo de cooperación entre el Instituto de Ciencia y Tecnología de Masdar; y por el Centro de Conversión de Energía Térmica Solar de Estado Sólido, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía financiado por el Departamento de Energía de los EE. UU.
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 :
Cita esta página :