De meeste elektriciteitsproducerende elektriciteitscentrales ter wereld — of ze nu worden aangedreven door steenkool, natuurlijk gas, of kernsplijting - maak elektriciteit door stoom op te wekken die een turbine laat draaien. Die stoom wordt dan weer gecondenseerd tot water, en de cyclus begint opnieuw.

Maar de condensors die de stoom opvangen zijn behoorlijk inefficiënt, en het verbeteren ervan zou een groot verschil kunnen maken in de algehele efficiëntie van de energiecentrale.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van MIT heeft een manier ontwikkeld om deze condensoroppervlakken te coaten met een laag grafeen, slechts één atoom dik, en ontdekte dat dit de snelheid van warmteoverdracht met een factor vier kan verbeteren - en mogelijk zelfs meer dan dat, met verder werk. En in tegenstelling tot polymeercoatings, de grafeencoatings hebben bewezen zeer duurzaam te zijn in laboratoriumtests.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Nano-letters door MIT-afgestudeerde student Daniel Preston, professoren Evelyn Wang en Jing Kong, en twee anderen. De verbetering van de warmteoverdracht van de condensor, wat slechts één stap is in de energieproductiecyclus, zou kunnen leiden tot een algehele verbetering van de efficiëntie van de energiecentrale van 2 tot 3 procent op basis van cijfers van het Electric Power Research Institute, Preston zegt - genoeg om een ​​aanzienlijke deuk in de wereldwijde koolstofemissies te maken, aangezien dergelijke centrales de overgrote meerderheid van de elektriciteitsproductie in de wereld vertegenwoordigen. "Dat vertaalt zich in miljoenen dollars per elektriciteitscentrale per jaar, " hij legt uit.

Er zijn twee fundamentele manieren waarop de condensors, die de vorm kunnen hebben van opgerolde metalen buizen, vaak gemaakt van koper - interactie met de stoomstroom. In sommige gevallen, de stoom condenseert en vormt een dunne laag water die het oppervlak bedekt; in andere vormt het waterdruppels die door de zwaartekracht van het oppervlak worden getrokken.

Wanneer de stoom een ​​film vormt, Preston legt uit, dat de warmteoverdracht belemmert - en dus de efficiëntie vermindert - van condensatie. Het doel van veel onderzoek was dus om de vorming van druppels op deze oppervlakken te verbeteren door ze waterafstotend te maken.

Vaak is dit bereikt met behulp van polymeercoatings, maar deze hebben de neiging om snel af te breken in de hoge hitte en vochtigheid van een elektriciteitscentrale. En wanneer de coatings dikker worden gemaakt om die degradatie te verminderen, de coatings zelf belemmeren de warmteoverdracht.

"We dachten dat grafeen nuttig zou kunnen zijn, "Preston zegt, "omdat we weten dat het van nature hydrofoob is." Dus besloten hij en zijn collega's om het vermogen van beide grafeen om water af te stoten te testen, en zijn duurzaamheid, onder typische omstandigheden in elektriciteitscentrales - een omgeving van zuivere waterdamp bij 100 graden Celsius.

Ze ontdekten dat de één-atoom-dikke coating van grafeen inderdaad de warmteoverdracht viervoudig verbeterde in vergelijking met oppervlakken waar het condensaat waterlagen vormt. zoals blanke metalen. Nadere berekeningen toonden aan dat het optimaliseren van temperatuurverschillen deze verbetering zou kunnen verhogen tot 5 tot 7 keer. De onderzoekers toonden ook aan dat na twee volle weken onder dergelijke omstandigheden, er was geen meetbare achteruitgang in de prestaties van het grafeen.

Ter vergelijking, vergelijkbare tests met een gewone waterafstotende coating toonden aan dat de coating binnen slechts drie uur begon af te breken, Preston zegt, en faalde volledig binnen 12 uur.

Omdat het proces dat wordt gebruikt om het grafeen op het koperoppervlak te coaten - chemische dampafzetting genoemd - uitgebreid is getest, de nieuwe methode zou binnen een jaar klaar kunnen zijn voor testen onder reële omstandigheden, ", zegt Preston. En het proces moet gemakkelijk schaalbaar zijn tot condensorbatterijen ter grootte van een elektriciteitscentrale.

"Dit werk is buitengewoon belangrijk omdat, naar mijn weten, het is het eerste rapport van duurzame druppelsgewijze condensatie met een enkellaagse oppervlaktecoating, " zegt Jonathan Boreyko, een assistent-professor biomedische technologie en mechanica aan Virginia Tech die condensatie op superhydrofoob oppervlak heeft bestudeerd. "Deze bevindingen zijn enigszins verrassend en erg opwindend."

Boreyko, die niet bij het onderzoek betrokken was, voegt eraan toe dat deze methode, indien bewezen door verdere testen, "zou de efficiëntie van energiecentrales en andere systemen die condensors gebruiken aanzienlijk kunnen verbeteren."

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.