Gli "hot spot" aumentano l'efficienza del desa solare

Gli ingegneri della Rice University aumentano la produzione del sistema di desalinizzazione solare del 50%

Università del Riso

immagine: I ricercatori della Rice University (da sinistra) Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri e Oara Neumann hanno dimostrato che il sistema di "distillazione a membrana solare abilitata alla nanofotonica" (NESMD) della Rice era più efficiente quando le dimensioni del dispositivo venivano ingrandite e la luce veniva concentrata in hotspot.'vedere di più

Credito: Jeff Fitlow/Rice University

HOUSTON – (18 giugno 2019) – L’approccio ad energia solare della Rice University per purificare l’acqua salata con la luce solare e le nanoparticelle è ancora più efficiente di quanto inizialmente credessero i suoi creatori.

I ricercatori del Laboratorio di Nanofotonica della Rice (LANP) questa settimana hanno dimostrato che potrebbero aumentare l’efficienza del loro sistema di desalinizzazione ad energia solare di oltre il 50% semplicemente aggiungendo lenti di plastica poco costose per concentrare la luce solare in “punti caldi”. I risultati sono disponibili online negli Atti della National Academy of Sciences.

"Il modo tipico per aumentare le prestazioni dei sistemi a energia solare è aggiungere concentratori solari e portare più luce", ha affermato Pratiksha Dongare, uno studente laureato in fisica applicata presso la Brown School of Engineering della Rice e co-autore principale dell'articolo. "La grande differenza qui è che stiamo utilizzando la stessa quantità di luce. Abbiamo dimostrato che è possibile ridistribuire tale energia in modo economico e aumentare drasticamente il tasso di produzione di acqua purificata."

Nella distillazione a membrana convenzionale, l'acqua calda e salata scorre attraverso un lato di una membrana simile a un foglio mentre l'acqua fredda e filtrata scorre attraverso l'altro. La differenza di temperatura crea una differenza nella pressione del vapore che spinge il vapore acqueo dal lato riscaldato attraverso la membrana verso il lato più freddo e a pressione inferiore. Ampliare la tecnologia è difficile perché la differenza di temperatura attraverso la membrana – e la conseguente produzione di acqua pulita – diminuisce all’aumentare delle dimensioni della membrana. La tecnologia NESMD (distillazione della membrana solare abilitata alla nanofotonica) della Rice affronta questo problema utilizzando nanoparticelle che assorbono la luce per trasformare la membrana stessa in un elemento riscaldante azionato dal sole.

Dongare e colleghi, tra cui il co-autore principale dello studio Alessandro Alabastri, rivestono lo strato superiore delle loro membrane con nanoparticelle a basso costo disponibili in commercio progettate per convertire più dell'80% dell'energia solare in calore. Il riscaldamento delle nanoparticelle alimentato dal sole riduce i costi di produzione e gli ingegneri della Rice stanno lavorando per ampliare la tecnologia per applicazioni in aree remote che non hanno accesso all’elettricità.

Il concetto e le particelle utilizzate in NESMD sono stati dimostrati per la prima volta nel 2012 dalla direttrice del LANP Naomi Halas e dalla ricercatrice Oara Neumann, entrambi coautori del nuovo studio. Nello studio di questa settimana, Halas, Dongare, Alabastri, Neumann e il fisico del LANP Peter Nordlander hanno scoperto di poter sfruttare una relazione non lineare intrinseca e precedentemente non riconosciuta tra l'intensità della luce incidente e la pressione del vapore.

Alabastri, fisico e professore assistente di ricerca della Texas Instruments presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica della Rice, ha utilizzato un semplice esempio matematico per descrivere la differenza tra una relazione lineare e non lineare. "Se prendi due numeri qualsiasi che equivalgono a 10 - sette e tre, cinque e cinque, sei e quattro - otterrai sempre 10 se li sommi. Ma se il processo non è lineare, potresti metterli al quadrato o addirittura al cubo prima di sommarli. Quindi se abbiamo nove più uno, sarebbe nove al quadrato, o 81, più uno al quadrato, che fa 82. Questo è molto meglio di 10, che è il meglio che puoi fare con una relazione lineare."

Nel caso di NESMD, il miglioramento non lineare deriva dalla concentrazione della luce solare in piccoli punti, proprio come farebbe un bambino con una lente d’ingrandimento in una giornata soleggiata. Concentrando la luce su un minuscolo punto della membrana si ottiene un aumento lineare del calore, ma il riscaldamento, a sua volta, produce un aumento non lineare della pressione del vapore. Inoltre, l'aumento della pressione spinge più vapore purificato attraverso la membrana in meno tempo.