(Phys.org) — Wetenschappers van Rice University hebben een revolutionaire nieuwe technologie onthuld die nanodeeltjes gebruikt om zonne-energie direct om te zetten in stoom. De nieuwe "solar steam"-methode van Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) is zo effectief dat het zelfs stoom kan produceren uit ijskoud water.

Details van de zonnestoommethode zijn vandaag online gepubliceerd in ACS Nano . De technologie heeft een totale energie-efficiëntie van 24 procent. Fotovoltaïsche zonnepanelen, ter vergelijking, hebben doorgaans een totale energie-efficiëntie van ongeveer 15 procent. Echter, de uitvinders van zonnestoom zeiden dat ze verwachten dat de eerste toepassingen van de nieuwe technologie niet zullen zijn voor elektriciteitsopwekking, maar eerder voor sanitaire voorzieningen en waterzuivering in ontwikkelingslanden.

"Dit gaat over veel meer dan elektriciteit, " zei LANP-directeur Naomi Halas, de hoofdwetenschapper van het project. "Met deze technologie we beginnen op een heel andere manier over thermische zonne-energie te denken."

De efficiëntie van zonnestoom is te danken aan de lichtvangende nanodeeltjes die zonlicht omzetten in warmte. Wanneer ondergedompeld in water en blootgesteld aan zonlicht, de deeltjes warmen zo snel op dat ze onmiddellijk water verdampen en stoom creëren. Halas zei dat de algehele energie-efficiëntie van de zonnestoom waarschijnlijk kan worden verhoogd naarmate de technologie wordt verfijnd.

"We gaan van het verwarmen van water op macroschaal naar het verwarmen op nanoschaal, " zei Halas. "Onze deeltjes zijn erg klein - zelfs kleiner dan een golflengte van licht - wat betekent dat ze een extreem klein oppervlak hebben om warmte af te voeren. Door deze intense verhitting kunnen we lokaal stoom opwekken, direct aan het oppervlak van het deeltje, en het idee om lokaal stoom te genereren is echt contra-intuïtief."

Om te laten zien hoe contra-intuïtief, Rijst afgestudeerde student Oara Neumann filmde een zonnestoomdemonstratie waarin een reageerbuis met water met door licht geactiveerde nanodeeltjes werd ondergedompeld in een bad met ijswater. Met behulp van een lens om zonlicht te concentreren op het bijna bevriezende mengsel in de buis, Neumann liet zien dat ze stoom kon maken uit bijna bevroren water.

Stoom is een van 's werelds meest gebruikte industriële vloeistoffen. Ongeveer 90 procent van de elektriciteit wordt geproduceerd uit stoom, en stoom wordt ook gebruikt om medisch afval en chirurgische instrumenten te steriliseren, om voedsel te bereiden en water te zuiveren.

De meeste industriële stoom wordt geproduceerd in grote ketels, en Halas zei dat de efficiëntie van zonnestoom stoom op veel kleinere schaal economisch zou kunnen maken.

Mensen in ontwikkelingslanden zullen als een van de eersten de voordelen van zonnestoom zien. Rijst-ingenieursstudenten hebben al een autoclaaf gemaakt op zonne-stoom die medische en tandheelkundige instrumenten kan steriliseren in klinieken die geen elektriciteit hebben. Halas won ook een Grand Challenges-beurs van de Bill and Melinda Gates Foundation om een ​​ultrakleinschalig systeem te creëren voor de behandeling van menselijk afval in gebieden zonder riolering of elektriciteit.

"Zonnestoom is opmerkelijk vanwege zijn efficiëntie, " zei Neumann, de hoofdauteur van het papier. "Er zijn geen hectares spiegels of zonnepanelen voor nodig. de voetafdruk kan erg klein zijn. Bijvoorbeeld, het lichtvenster in onze demonstratieautoclaaf was slechts enkele vierkante centimeters."

Een ander potentieel gebruik zou kunnen zijn bij het aandrijven van hybride airconditioning- en verwarmingssystemen die overdag geen zonlicht krijgen en 's nachts geen elektriciteit. Hala, Neumann en collega's hebben ook distillatie-experimenten uitgevoerd en ontdekten dat zonnestoom ongeveer tweeënhalf keer efficiënter is dan bestaande destillatiekolommen.

Hala, de Stanley C. Moore Professor in Electrical and Computer Engineering, hoogleraar natuurkunde, hoogleraar scheikunde en hoogleraar biomedische technologie, is een van 's werelds meest geciteerde chemici. Haar lab is gespecialiseerd in het maken en bestuderen van door licht geactiveerde deeltjes. Een van haar creaties, gouden nanoschelpen, is het onderwerp van verschillende klinische proeven voor de behandeling van kanker.

Voor de kankerbehandelingstechnologie en vele andere toepassingen, Halas' team kiest deeltjes die interageren met slechts een paar golflengten van licht. Voor het zonnestoomproject Halas en Neumann wilden een deeltje ontwerpen dat zou interageren met het breedst mogelijke spectrum van zonlichtenergie. Hun nieuwe nanodeeltjes worden geactiveerd door zowel zichtbaar zonlicht als kortere golflengten die mensen niet kunnen zien.

"We veranderen niets aan de wetten van de thermodynamica, "Zei Halas. "We koken gewoon water op een radicaal andere manier."