Een volledig passief ontziltingssysteem op zonne-energie, ontwikkeld door onderzoekers van het MIT en in China, zou meer dan 1,5 gallon vers drinkwater per uur kunnen leveren voor elke vierkante meter zonnecollectorgebied. Dergelijke systemen kunnen mogelijk dienen voor off-grid droge kustgebieden om een ​​efficiënte, goedkope waterbron.

Het systeem maakt gebruik van meerdere lagen platte zonneverdampers en condensors, opgesteld in een verticale reeks en bedekt met transparante aerogelisolatie. Het wordt beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift verschijnt Energie- en milieuwetenschappen , geschreven door MIT-promovendi Lenan Zhang en Lin Zhao, postdoc Zhenyuan Xu, hoogleraar werktuigbouwkunde en afdelingshoofd Evelyn Wang, en acht anderen aan het MIT en aan de Shanghai Jiao Tong University in China.

De sleutel tot de efficiëntie van het systeem ligt in de manier waarop het elk van de meerdere fasen gebruikt om het water te ontzilten. In elke fase, warmte die vrijkomt bij de vorige fase wordt benut in plaats van verspild. Op deze manier, het demonstratieapparaat van het team kan een algehele efficiëntie van 385 procent behalen bij het omzetten van de energie van zonlicht in de energie van waterverdamping.

Het apparaat is in wezen een meerlaagse zonnestill, met een set verdampende en condenserende componenten zoals die worden gebruikt om sterke drank te destilleren. Het gebruikt platte panelen om warmte op te nemen en die warmte vervolgens over te dragen aan een laag water, zodat het begint te verdampen. De damp condenseert vervolgens op het volgende paneel. Dat water wordt opgevangen, terwijl de warmte van de dampcondensatie wordt doorgegeven aan de volgende laag.

Wanneer damp condenseert op een oppervlak, het geeft warmte af; in typische condensorsystemen, die warmte gaat gewoon verloren aan de omgeving. Maar in deze meerlagenverdamper stroomt de vrijgekomen warmte naar de volgende verdampingslaag, recycling van de zonnewarmte en het verhogen van de algehele efficiëntie.

"Als je water condenseert, je geeft energie af als warmte, ", zegt Wang. "Als je meer dan één fase hebt, je kunt profiteren van die warmte."

Het toevoegen van meer lagen verhoogt de conversie-efficiëntie voor het produceren van drinkwater, maar elke laag voegt ook kosten en bulk toe aan het systeem. Het team koos voor een 10-fasensysteem voor hun proof-of-concept-apparaat, die werd getest op het dak van een MIT-gebouw. Het systeem leverde zuiver water dat de drinkwaternormen van de stad overtrof, met een snelheid van 5,78 liter per vierkante meter (ongeveer 1,52 gallon per 11 vierkante voet) zonne-opvanggebied. Dit is meer dan twee keer zoveel als het recordbedrag dat eerder werd geproduceerd door een dergelijk passief ontziltingssysteem op zonne-energie, zegt Wang.

theoretisch, met meer ontziltingstrappen en verdere optimalisatie, dergelijke systemen kunnen algemene efficiëntieniveaus bereiken van wel 700 of 800 procent, zegt Zhang.

In tegenstelling tot sommige ontziltingssystemen, er is geen ophoping van zout of geconcentreerde pekel die moet worden afgevoerd. In een vrij zwevende configuratie, al het zout dat zich gedurende de dag ophoopt, wordt 's nachts eenvoudig via het vochtafvoerende materiaal teruggevoerd naar het zeewater, volgens de onderzoekers.

Hun demonstratie-eenheid werd grotendeels gebouwd van goedkope, gemakkelijk verkrijgbare materialen zoals een commerciële zwarte zonneabsorbeerder en papieren handdoeken voor een capillaire lont om het water in contact te brengen met de zonneabsorbeerder. Bij de meeste andere pogingen om passieve zonne-ontziltingssystemen te maken, het zonne-absorberende materiaal en het vochtafvoerende materiaal zijn een enkel onderdeel geweest, waarvoor gespecialiseerde en dure materialen nodig zijn, zegt Wang. "We hebben deze twee kunnen ontkoppelen."

Het duurste onderdeel van het prototype is een laag transparante aerogel die wordt gebruikt als isolator aan de bovenkant van de stapel, maar het team suggereert dat andere, minder dure isolatoren als alternatief kunnen worden gebruikt. (De aerogel zelf is gemaakt van spotgoedkoop silica, maar vereist gespecialiseerde droogapparatuur voor de vervaardiging ervan.)

Wang benadrukt dat de belangrijkste bijdrage van het team een ​​raamwerk is om te begrijpen hoe dergelijke meertraps passieve systemen kunnen worden geoptimaliseerd, die zij thermisch gelokaliseerde meertrapsontzilting noemen. De formules die ze ontwikkelden, kunnen waarschijnlijk worden toegepast op een verscheidenheid aan materialen en apparaatarchitecturen, waardoor verdere optimalisatie van systemen mogelijk is op basis van verschillende schaalniveaus of lokale omstandigheden en materialen.

Een mogelijke configuratie zou zijn drijvende panelen op een zoutwaterlichaam, zoals een opstuwingsvijver. Deze konden constant en passief zoet water via leidingen naar de kust brengen, zolang de zon elke dag schijnt. Andere systemen kunnen worden ontworpen om een ​​enkel huishouden te bedienen, misschien met behulp van een plat paneel op een grote ondiepe tank met zeewater die wordt gepompt of naar binnen wordt gedragen. Het team schat dat een systeem met een zonnecollectorgebied van ongeveer 1 vierkante meter zou kunnen voldoen aan de dagelijkse drinkwaterbehoeften van één persoon. In de maak, ze denken dat een systeem dat is gebouwd om aan de behoeften van een gezin te voldoen, kan worden gebouwd voor ongeveer $ 100.

De onderzoekers plannen verdere experimenten om de keuze van materialen en configuraties te blijven optimaliseren, en om de duurzaamheid van het systeem onder realistische omstandigheden te testen. Ze zullen ook werken aan het vertalen van het ontwerp van hun apparaat op laboratoriumschaal naar iets dat geschikt is voor gebruik door consumenten. De hoop is dat het uiteindelijk een rol kan spelen bij het verminderen van waterschaarste in delen van de ontwikkelingslanden waar betrouwbare elektriciteit schaars is, maar zeewater en zonlicht in overvloed.

"Deze nieuwe aanpak is erg belangrijk, " zegt Ravi Prasher, een associate lab director bij Lawrence Berkeley National Laboratory en adjunct-professor werktuigbouwkunde aan de University of California in Berkeley, die niet bij dit werk betrokken was. "Een van de uitdagingen bij ontzilting op basis van zonne-energie was een laag rendement als gevolg van het verlies van aanzienlijke energie in condensatie. Door de condensatie-energie efficiënt te oogsten, de algehele efficiëntie van zonne-energie tot damp is drastisch verbeterd. … Deze verhoogde efficiëntie zal een algemene impact hebben op het verlagen van de kosten van geproduceerd water."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.