Forskere rapporterer om store fremskridt med at bruge sollys til at producere damp uden kogende vand

(Phys.org) —Rice University forskere har afsløret en revolutionerende ny teknologi, der bruger nanopartikler til at konvertere solenergi direkte til damp. Den nye "solar steam"-metode fra Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) er så effektiv, at den endda kan producere damp fra iskoldt vand.

Detaljer om soldampmetoden blev offentliggjort online i dag i ACS Nano . Teknologien har en samlet energieffektivitet på 24 procent. Fotovoltaiske solpaneler, til sammenligning, typisk har en samlet energieffektivitet omkring 15 procent. Imidlertid, opfinderne af solar damp sagde, at de forventer, at den første anvendelse af den nye teknologi ikke vil være til elproduktion, men snarere til sanitet og vandrensning i udviklingslandene.

"Det her handler om meget mere end elektricitet, " sagde LANP-direktør Naomi Halas, den ledende videnskabsmand på projektet. "Med denne teknologi, vi begynder at tænke på solvarmeenergi på en helt anden måde."

Effektiviteten af ​​soldamp skyldes de lysfangende nanopartikler, der omdanner sollys til varme. Når nedsænket i vand og udsat for sollys, partiklerne opvarmes så hurtigt, at de øjeblikkeligt fordamper vand og skaber damp. Halas sagde, at soldampens samlede energieffektivitet sandsynligvis kan øges, efterhånden som teknologien raffineres.

"Vi går fra at opvarme vand på makroskalaen til at opvarme det på nanoskalaen, "Sagde Halas." Vores partikler er meget små - endda mindre end en bølgelængde af lys - hvilket betyder, at de har et ekstremt lille overfladeareal til at sprede varme. Denne intense opvarmning giver os mulighed for at generere damp lokalt, lige ved overfladen af ​​partiklen, og ideen om at generere damp lokalt er virkelig kontraintuitiv."

For at vise, hvor kontraintuitivt, Ris kandidatstuderende Oara Neumann videofilmede en soldampdemonstration, hvor et reagensglas med vand indeholdende lysaktiverede nanopartikler blev nedsænket i et bad med isvand. Ved at bruge en linse til at koncentrere sollys på den næsten frysende blanding i røret, Neumann viste, at hun kunne skabe damp fra næsten frosset vand.

Damp er en af ​​verdens mest anvendte industrielle væsker. Omkring 90 procent af elektriciteten er produceret af damp, og damp bruges også til at sterilisere medicinsk affald og kirurgiske instrumenter, at tilberede mad og rense vand.

Det meste af industriel damp produceres i store kedler, og Halas sagde, at soldampens effektivitet kunne gøre det muligt for damp at blive økonomisk i meget mindre skala.

Folk i udviklingslande vil være blandt de første til at se fordelene ved soldamp. Risingeniørstuderende har allerede skabt en solcelledampdrevet autoklave, der er i stand til at sterilisere medicinske og dentale instrumenter på klinikker, der mangler elektricitet. Halas vandt også en Grand Challenges-bevilling fra Bill and Melinda Gates Foundation for at skabe et ultra-lille skala system til behandling af menneskeligt affald i områder uden kloaksystemer eller elektricitet.

"Soldamp er bemærkelsesværdig på grund af dens effektivitet, sagde Neumann, hovedforfatter på papiret. "Det kræver ikke acres af spejle eller solpaneler. Faktisk, fodaftrykket kan være meget lille. For eksempel, lysvinduet i vores demonstrationsautoklave var kun et par kvadratcentimeter."

En anden potentiel anvendelse kunne være at drive hybride klima- og varmesystemer, der løber ud af sollys om dagen og elektricitet om natten. Halas, Neumann og kolleger har også udført destillationseksperimenter og fundet ud af, at soldamp er omkring to og en halv gange mere effektiv end eksisterende destillationskolonner.

Halas, Stanley C. Moore professor i elektro- og computerteknik, professor i fysik, professor i kemi og professor i biomedicinsk teknik, er en af ​​verdens mest citerede kemikere. Hendes laboratorium har specialiseret sig i at skabe og studere lysaktiverede partikler. En af hendes kreationer, guld nanoskaller, er genstand for flere kliniske forsøg til kræftbehandling.

Til kræftbehandlingsteknologi og mange andre applikationer, Halas' team vælger partikler, der interagerer med kun få bølgelængder af lys. Til soldampprojektet, Halas og Neumann satte sig for at designe en partikel, der ville interagere med det bredest mulige spektrum af sollys energi. Deres nye nanopartikler aktiveres af både synligt sollys og kortere bølgelængder, som mennesker ikke kan se.

"Vi ændrer ingen af ​​lovene i termodynamik, " sagde Halas. "Vi koger bare vand på en radikalt anderledes måde."