MIT-ingenieurs hebben een apparaat gebouwd dat genoeg warmte van de zon opneemt om water te koken en "oververhitte" stoom te produceren die heter is dan 100 graden Celsius. zonder dure optiek.

Op een zonnige dag, de structuur kan passief stoom uitpompen die heet genoeg is om medische apparatuur te steriliseren, maar ook om te gebruiken bij het koken en schoonmaken. De stoom kan ook warmte leveren aan industriële processen, of het kan worden verzameld en gecondenseerd om ontzilt, gedestilleerd drinkwater.

De onderzoekers ontwikkelden eerder een sponsachtige structuur die in een bak met water dreef en het opgenomen water in stoom veranderde. Maar een grote zorg is dat verontreinigingen in het water ervoor hebben gezorgd dat de structuur na verloop van tijd achteruitging. Het nieuwe apparaat is ontworpen om boven het water te worden opgehangen, om eventuele besmetting te voorkomen.

Het hangende apparaat heeft ongeveer de grootte en dikte van een kleine digitale tablet of e-reader, en is gestructureerd als een sandwich:de toplaag is gemaakt van een materiaal dat de warmte van de zon efficiënt absorbeert, terwijl de onderste laag die warmte efficiënt afgeeft aan het water eronder. Zodra het water het kookpunt bereikt (100 C), het geeft stoom af die weer omhoog stijgt in het apparaat, waar het door de middelste laag wordt geleid - een schuimachtig materiaal dat de stoom verder verwarmt tot boven het kookpunt, voordat het door een enkele buis wordt weggepompt.

"Het is een volledig passief systeem - je laat het gewoon buiten staan ​​om zonlicht te absorberen, " zegt Thomas Kuiper, assistent-professor werktuigbouwkunde aan de York University, die het werk leidde als postdoc aan het MIT. "Je zou dit kunnen opschalen tot iets dat in afgelegen klimaten kan worden gebruikt om genoeg drinkwater voor een gezin te genereren, of apparatuur voor één operatiekamer steriliseren."

De resultaten van het team worden gedetailleerd beschreven in een paper dat zal worden gepubliceerd in Natuurcommunicatie . De studie omvat onderzoekers van het laboratorium van Gang Chen, de Carl Richard Soderberg hoogleraar energietechniek aan het MIT.

Een slimme combinatie

In 2014, Chen's groep rapporteerde de eerste demonstratie van een eenvoudige, zonne-aangedreven stoomgenerator, in de vorm van een met grafiet bedekt koolstofschuim dat op water drijft. Deze structuur absorbeert en lokaliseert de zonnewarmte naar het wateroppervlak (de warmte zou anders door het water naar beneden dringen). Vanaf dat moment, zijn groep en anderen hebben geprobeerd de efficiëntie van het ontwerp te verbeteren met materialen met verschillende zonne-absorberende eigenschappen. Maar bijna elk apparaat is ontworpen om direct op water te drijven, en ze zijn allemaal tegen het besmettingsprobleem aangelopen, omdat hun oppervlakken in contact komen met zout en andere onzuiverheden in water.

Het team besloot een apparaat te ontwerpen dat in plaats daarvan boven water wordt opgehangen. Het apparaat is gestructureerd om zonne-energie met korte golflengte te absorberen, die op zijn beurt het apparaat opwarmt, waardoor het deze warmte opnieuw uitstraalt, in de vorm van infraroodstraling met een langere golflengte, naar het water beneden. interessant, de onderzoekers merken op dat infrarode golflengten gemakkelijker door water worden geabsorbeerd, versus zonnegolflengten, die er gewoon doorheen zou gaan.

Voor de bovenste laag van het apparaat, ze kozen voor een metaalkeramisch composiet dat een zeer efficiënte zonneabsorber is. Ze bedekten de onderste laag van de structuur met een materiaal dat gemakkelijk en efficiënt infraroodwarmte afgeeft. Tussen deze twee materialen, ze hebben een laag verknoopt koolstofschuim ingeklemd - in wezen, een sponsachtig materiaal bezaaid met kronkelende tunnels en poriën, die de binnenkomende warmte van de zon vasthoudt en de stoom die door het schuim weer omhoog komt verder kan opwarmen. De onderzoekers bevestigden ook een kleine uitlaatbuis aan het ene uiteinde van het schuim, waardoor alle stoom kan ontsnappen en gemakkelijk kan worden opgevangen.

Eindelijk, ze plaatsten het apparaat boven een bak met water en omringden de hele opstelling met een polymeerbehuizing om te voorkomen dat warmte ontsnapt.

"Het is deze slimme engineering van verschillende materialen en hoe ze zijn gerangschikt, waardoor we redelijk hoge efficiënties kunnen bereiken met deze contactloze opstelling, ' zegt Kuiper.

Volle vaart vooruit

De onderzoekers testten eerst de structuur door experimenten uit te voeren in het laboratorium, met behulp van een zonnesimulator die de kenmerken van natuurlijk zonlicht nabootst bij variërende, gecontroleerde intensiteiten. Ze ontdekten dat de structuur in staat was een klein bassin met water tot het kookpunt te verwarmen en oververhitte stoom te produceren. bij 122 C, onder omstandigheden die het zonlicht simuleerden dat op een heldere, zonnige dag. Toen de onderzoekers deze zonne-intensiteit 1,7 keer verhoogden, ze ontdekten dat het apparaat nog heter stoom produceerde, bij 144 C.

Op 21 oktober 2017, ze testten het apparaat op het dak van MIT's Building 1, onder omgevingsomstandigheden. De dag was helder en helder, en om de intensiteit van de zon verder te verhogen, de onderzoekers construeerden een eenvoudige zonneconcentrator - een gebogen spiegel die helpt meer zonlicht te verzamelen en naar het apparaat te leiden, waardoor de inkomende zonnestroom wordt verhoogd, vergelijkbaar met de manier waarop een vergrootglas kan worden gebruikt om een ​​zonnestraal te concentreren om een ​​stuk bestrating op te warmen.

Met deze extra afscherming, de structuur produceerde stoom van meer dan 146 C in de loop van 3,5 uur. In volgende experimenten, het team was in staat om stoom te produceren uit zeewater, zonder het oppervlak van het apparaat te vervuilen met zoutkristallen. In een andere reeks experimenten, ze waren ook in staat om de stoom in een kolf te verzamelen en te condenseren om pure, gedistilleerd water.

Chen zegt dat naast het overwinnen van de uitdagingen van besmetting, het ontwerp van het apparaat maakt het mogelijk om stoom op één punt te verzamelen, in een geconcentreerde stroom, terwijl eerdere ontwerpen meer verdunde spray produceerden.

"Dit ontwerp lost echt het vervuilingsprobleem en het stoomopvangprobleem op, " zegt Chen. "Nu willen we dit efficiënter maken en het systeem verbeteren. Er zijn verschillende mogelijkheden, en we kijken naar wat de beste opties zijn om na te streven."