Um sistema de dessalinização movido a energia solar completamente passivo desenvolvido por pesquisadores do MIT e na China poderia fornecer mais de 1,5 galão de água potável por hora para cada metro quadrado de área de coleta solar. Esses sistemas podem servir potencialmente áreas áridas costeiras fora da rede para fornecer um sistema eficiente, fonte de água de baixo custo.

O sistema usa várias camadas de evaporadores solares planos e condensadores, alinhado em uma matriz vertical e coberto com isolamento de aerogel transparente. É descrito em um artigo publicado hoje na revista Energia e Ciência Ambiental , de autoria dos alunos de doutorado do MIT Lenan Zhang e Lin Zhao, pós-doutorado Zhenyuan Xu, professora de engenharia mecânica e chefe de departamento Evelyn Wang, e outros oito no MIT e na Shanghai Jiao Tong University na China.

A chave para a eficiência do sistema está na maneira como ele usa cada um dos vários estágios para dessalinizar a água. Em cada estágio, o calor liberado pelo estágio anterior é aproveitado em vez de desperdiçado. Desta maneira, o dispositivo de demonstração da equipe pode atingir uma eficiência geral de 385% na conversão da energia da luz solar em energia da evaporação da água.

O dispositivo é essencialmente um destilador solar multicamadas, com um conjunto de componentes de evaporação e condensação como aqueles usados ​​para destilar licor. Ele usa painéis planos para absorver o calor e, em seguida, transferi-lo para uma camada de água para que comece a evaporar. O vapor então condensa no próximo painel. Essa água é coletada, enquanto o calor da condensação do vapor passa para a próxima camada.

Sempre que o vapor se condensa em uma superfície, libera calor; em sistemas condensadores típicos, esse calor é simplesmente perdido para o meio ambiente. Mas neste evaporador de múltiplas camadas, o calor liberado flui para a próxima camada de evaporação, reciclar o calor solar e aumentar a eficiência geral.

"Quando você condensa água, você libera energia como calor, "Diz Wang." Se você tem mais de um estágio, você pode aproveitar esse calor. "

Adicionar mais camadas aumenta a eficiência de conversão para a produção de água potável, mas cada camada também adiciona custo e volume ao sistema. A equipe estabeleceu um sistema de 10 estágios para seu dispositivo de prova de conceito, que foi testado no telhado de um edifício do MIT. O sistema entregou água pura que excedeu os padrões de água potável da cidade, a uma taxa de 5,78 litros por metro quadrado (cerca de 1,52 galões por 11 pés quadrados) de área de coleta solar. Isso é mais de duas vezes a quantidade recorde produzida anteriormente por qualquer sistema de dessalinização movido a energia solar passiva, Wang diz.

Teoricamente, com mais estágios de dessalinização e maior otimização, tais sistemas podem atingir níveis gerais de eficiência de até 700 ou 800 por cento, Zhang diz.

Ao contrário de alguns sistemas de dessalinização, não há acúmulo de sal ou salmouras concentradas a serem descartadas. Em uma configuração de flutuação livre, qualquer sal que se acumule durante o dia seria simplesmente transportado de volta à noite através do material absorvente e de volta à água do mar, de acordo com os pesquisadores.

Sua unidade de demonstração foi construída principalmente de baixo custo, materiais prontamente disponíveis, como um absorvedor solar preto comercial e toalhas de papel para um pavio capilar para transportar a água para o contato com o absorvedor solar. Na maioria das outras tentativas de fazer sistemas passivos de dessalinização solar, o material absorvente solar e o material absorvente têm sido um único componente, que requer materiais especializados e caros, Wang diz. "Conseguimos separar esses dois."

O componente mais caro do protótipo é uma camada de aerogel transparente usado como isolante no topo da pilha, mas a equipe sugere que outros isoladores menos caros podem ser usados ​​como alternativa. (O aerogel em si é feito de sílica barata, mas requer equipamento de secagem especializado para sua fabricação.)

Wang enfatiza que a principal contribuição da equipe é uma estrutura para a compreensão de como otimizar esses sistemas passivos de vários estágios, que eles chamam de dessalinização em vários estágios termicamente localizada. As fórmulas que desenvolveram provavelmente podem ser aplicadas a uma variedade de materiais e arquiteturas de dispositivos, permitindo maior otimização de sistemas com base em diferentes escalas de operação ou condições e materiais locais.

Uma configuração possível seria painéis flutuantes em um corpo de água salgada, como uma lagoa de represamento. Estes poderiam fornecer água potável constante e passivamente por meio de canos até a costa, contanto que o sol brilhe a cada dia. Outros sistemas podem ser projetados para servir a uma única família, talvez usando um painel plano em um grande tanque raso de água do mar que é bombeado ou carregado. A equipe estima que um sistema com uma área de coleta solar de aproximadamente 1 metro quadrado poderia atender às necessidades diárias de água potável de uma pessoa. Em produção, eles acham que um sistema construído para atender às necessidades de uma família pode custar cerca de US $ 100.

Os pesquisadores planejam novos experimentos para continuar a otimizar a escolha de materiais e configurações, e testar a durabilidade do sistema em condições realistas. Eles também trabalharão na tradução do design de seu dispositivo em escala de laboratório em algo que seja adequado para uso pelos consumidores. A esperança é que ele possa, em última instância, desempenhar um papel no alívio da escassez de água em partes do mundo em desenvolvimento onde a eletricidade confiável é escassa, mas a água do mar e a luz solar são abundantes.

"Esta nova abordagem é muito significativa, "diz Ravi Prasher, um diretor de laboratório associado no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e professor adjunto de engenharia mecânica na Universidade da Califórnia em Berkeley, que não estava envolvido neste trabalho. "Um dos desafios da dessalinização com base em energia solar tem sido a baixa eficiência devido à perda significativa de energia na condensação. Coletando com eficiência a energia de condensação, a eficiência geral entre a energia solar e o vapor é dramaticamente melhorada. … Este aumento de eficiência terá um impacto geral na redução do custo da água produzida. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.