Fotografia do experimento ao ar livre no telhado do MIT. O dispositivo de geração de vapor é montado sobre uma bacia de água, colocado em uma pequena mesa, e parcialmente rodeado por um simples, concentrador solar transparente. Os pesquisadores mediram a temperatura do vapor produzido ao longo do dia de teste, 21 de outubro 2017. Crédito:pesquisadores, Thomas Cooper et al .
Os engenheiros do MIT construíram um dispositivo que absorve calor suficiente do sol para ferver água e produzir vapor "superaquecido", mais quente do que 100 graus Celsius, sem nenhuma ótica cara.
Num dia de sol, a estrutura pode bombear passivamente vapor quente o suficiente para esterilizar equipamentos médicos, bem como para uso na cozinha e limpeza. O vapor também pode fornecer calor para processos industriais, ou pode ser coletado e condensado para produzir dessalinização, água destilada para beber.
Os pesquisadores desenvolveram anteriormente uma estrutura semelhante a uma esponja que flutuava em um recipiente com água e transformava a água absorvida em vapor. Mas uma grande preocupação é que os contaminantes na água causaram a degradação da estrutura com o tempo. O novo dispositivo é projetado para ser suspenso sobre a água, para evitar qualquer possível contaminação.
O dispositivo suspenso tem aproximadamente o tamanho e a espessura de um pequeno tablet digital ou leitor eletrônico, e é estruturado como um sanduíche:a camada superior é feita de um material que absorve com eficiência o calor do sol, enquanto a camada inferior emite esse calor com eficiência para a água abaixo. Uma vez que a água atinge o ponto de ebulição (100 C), ele libera vapor que sobe de volta para o dispositivo, onde é canalizado através da camada do meio - um material semelhante a espuma que aquece ainda mais o vapor acima do ponto de ebulição, antes de ser bombeado por um único tubo.
"É um sistema completamente passivo - basta deixá-lo do lado de fora para absorver a luz solar, "diz Thomas Cooper, professor assistente de engenharia mecânica na York University, que liderou o trabalho como pós-doutorado no MIT. "Você poderia aumentar isso para algo que poderia ser usado em climas remotos para gerar água potável suficiente para uma família, ou esterilizar o equipamento para uma sala de cirurgia. "
Fotografia de gotículas de vapor gerado pelo sol subindo através de um feixe de luz solar simulada durante um experimento de laboratório com a estrutura de evaporação solar sem contato. Crédito:George W. Ni
Os resultados da equipe são detalhados em artigo a ser publicado em Nature Communications . O estudo inclui pesquisadores do laboratório de Gang Chen, o Professor Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia no MIT.
Uma combinação inteligente
Em 2014, O grupo de Chen relatou a primeira demonstração de um simples, gerador de vapor movido a energia solar, na forma de uma espuma de carbono coberta de grafite que flutua na água. Essa estrutura absorve e localiza o calor do sol na superfície da água (caso contrário, o calor penetraria pela água). Desde então, seu grupo e outros procuraram melhorar a eficiência do projeto com materiais de propriedades de absorção solar variáveis. Mas quase todos os dispositivos foram projetados para flutuar diretamente na água, e todos eles enfrentaram o problema de contaminação, à medida que suas superfícies entram em contato com o sal e outras impurezas da água.
A equipe decidiu projetar um dispositivo que fica suspenso acima da água. O dispositivo é estruturado para absorver energia solar de comprimento de onda curto, que por sua vez aquece o dispositivo, fazendo com que ele re-irradie este calor, na forma de radiação infravermelha de comprimento de onda mais longo, para a água abaixo. Interessantemente, os pesquisadores observam que os comprimentos de onda do infravermelho são mais facilmente absorvidos pela água, versus comprimentos de onda solares, que simplesmente passaria direto.
Para a camada superior do dispositivo, eles escolheram um composto de metalocerâmica que é um absorvedor solar altamente eficiente. Eles revestiram a camada inferior da estrutura com um material que emite calor infravermelho de maneira fácil e eficiente. Entre esses dois materiais, eles imprensaram uma camada de espuma de carbono reticulada - essencialmente, um material esponjoso cravejado de túneis e poros sinuosos, que retém o calor do sol e pode aquecer ainda mais o vapor que sobe pela espuma. Os pesquisadores também anexaram um pequeno tubo de saída a uma extremidade da espuma, através do qual todo o vapor pode sair e ser facilmente coletado.
Fotografia da estrutura desmontada da evaporação solar sem contato em camadas mostrando (de baixo para cima):bacia hidrográfica; concha do superaquecedor e espuma reticulada de carbono vítreo; superfície seletiva; e envidraçamento de polímero transparente. Crédito:Thomas A. Cooper
Finalmente, eles colocaram o dispositivo sobre uma bacia de água e cercaram toda a instalação com um invólucro de polímero para evitar que o calor escapasse.
"É essa engenharia inteligente de diferentes materiais e como eles são organizados que nos permite alcançar eficiências razoavelmente altas com esse arranjo sem contato, "Cooper diz.
A todo vapor
Os pesquisadores primeiro testaram a estrutura executando experimentos no laboratório, usando um simulador solar que imita as características da luz solar natural em variações, intensidades controladas. Eles descobriram que a estrutura era capaz de aquecer uma pequena bacia de água até o ponto de ebulição e produzir vapor superaquecido, a 122 C, sob condições que simulavam a luz solar produzida em um ambiente claro, dia ensolarado. Quando os pesquisadores aumentaram essa intensidade solar em 1,7 vezes, eles descobriram que o dispositivo produzia um vapor ainda mais quente, a 144 C.
Em 21 de outubro, 2017, eles testaram o dispositivo no telhado do Edifício 1 do MIT, sob condições ambientais. O dia estava claro e brilhante, e para aumentar ainda mais a intensidade do sol, os pesquisadores construíram um concentrador solar simples - um espelho curvo que ajuda a coletar e redirecionar mais luz solar para o dispositivo, aumentando assim o fluxo solar de entrada, semelhante à forma como uma lupa pode ser usada para concentrar o raio de sol para aquecer um pedaço de pavimento.
Fotografia da estrutura de evaporação solar sem contato operando no telhado do MIT em outubro de 2017. Um concentrador solar sem rastreamento permite que temperaturas de vapor de até 146 ° C sejam alcançadas mesmo nos meses de outono.
Com esta proteção adicional, a estrutura produziu vapor superior a 146 C ao longo de 3,5 horas. Em experimentos subsequentes, a equipe foi capaz de produzir vapor a partir da água do mar, sem contaminar a superfície do dispositivo com cristais de sal. Em outro conjunto de experimentos, eles também foram capazes de coletar e condensar o vapor em um frasco para produzir puro, água destilada.
Chen diz que, além de superar os desafios da contaminação, o design do dispositivo permite que o vapor seja coletado em um único ponto, em um fluxo concentrado, enquanto os designs anteriores produziam spray mais diluído.
"Este projeto realmente resolve o problema de incrustação e o problema de coleta de vapor, "Diz Chen." Agora estamos procurando tornar isso mais eficiente e melhorar o sistema. Existem diferentes oportunidades, e estamos analisando quais são as melhores opções a serem seguidas. "
