Photographie de l'expérience en plein air sur le toit du MIT. Le dispositif de génération de vapeur est monté sur un bassin d'eau, posé sur une petite table, et partiellement entouré d'un simple, concentrateur solaire transparent. Les chercheurs ont mesuré la température de la vapeur produite au cours de la journée de test, 21 octobre 2017. Crédit :chercheurs, Thomas Cooper et al .
Les ingénieurs du MIT ont construit un appareil qui absorbe suffisamment de chaleur du soleil pour faire bouillir de l'eau et produire de la vapeur "surchauffée" supérieure à 100 degrés Celsius, sans optique coûteuse.
Un jour ensoleillé, la structure peut pomper passivement de la vapeur suffisamment chaude pour stériliser le matériel médical, ainsi qu'à utiliser dans la cuisine et le nettoyage. La vapeur peut également fournir de la chaleur à des procédés industriels, ou il pourrait être collecté et condensé pour produire du dessalement, eau potable distillée.
Les chercheurs avaient précédemment développé une structure semblable à une éponge qui flottait dans un récipient d'eau et transformait l'eau absorbée en vapeur. Mais une grande préoccupation est que les contaminants dans l'eau ont causé la dégradation de la structure au fil du temps. Le nouveau dispositif est conçu pour être suspendu au-dessus de l'eau, pour éviter toute contamination possible.
L'appareil suspendu a à peu près la taille et l'épaisseur d'une petite tablette numérique ou d'une liseuse numérique, et est structuré comme un sandwich :la couche supérieure est faite d'un matériau qui absorbe efficacement la chaleur du soleil, tandis que la couche inférieure émet efficacement cette chaleur vers l'eau en dessous. Une fois que l'eau atteint le point d'ébullition (100 C), il libère de la vapeur qui remonte dans l'appareil, où il est canalisé à travers la couche intermédiaire - un matériau semblable à de la mousse qui chauffe davantage la vapeur au-dessus du point d'ébullition, avant qu'il ne soit pompé à travers un seul tube.
"C'est un système complètement passif - vous le laissez juste à l'extérieur pour absorber la lumière du soleil, " dit Thomas Cooper, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université York, qui a dirigé le travail en tant que post-doctorant au MIT. « Vous pourriez étendre cela à quelque chose qui pourrait être utilisé dans des climats éloignés pour générer suffisamment d'eau potable pour une famille, ou stériliser le matériel d'une salle d'opération."
Photographie de gouttelettes de vapeur générées par le soleil s'élevant à travers un faisceau de lumière solaire simulée lors d'une expérience en laboratoire avec la structure d'évaporation solaire sans contact. Crédit :George W. Ni
Les résultats de l'équipe sont détaillés dans un article à paraître dans Communication Nature . L'étude comprend des chercheurs du laboratoire de Gang Chen, le professeur Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique au MIT.
Une combinaison astucieuse
En 2014, Le groupe de Chen a rapporté la première démonstration d'un simple, générateur de vapeur à énergie solaire, sous la forme d'une mousse de carbone recouverte de graphite qui flotte sur l'eau. Cette structure absorbe et localise la chaleur du soleil à la surface de l'eau (la chaleur pénétrerait autrement à travers l'eau). Depuis, son groupe et d'autres ont cherché à améliorer l'efficacité de la conception avec des matériaux aux propriétés d'absorption solaire variables. Mais presque tous les appareils ont été conçus pour flotter directement sur l'eau, et ils ont tous rencontré le problème de la contamination, car leurs surfaces entrent en contact avec du sel et d'autres impuretés dans l'eau.
L'équipe a décidé de concevoir un appareil qui est plutôt suspendu au-dessus de l'eau. Le dispositif est structuré pour absorber l'énergie solaire à courte longueur d'onde, qui à son tour chauffe l'appareil, l'amenant à re-rayonner cette chaleur, sous forme de rayonnement infrarouge de plus grande longueur d'onde, à l'eau ci-dessous. De façon intéressante, les chercheurs notent que les longueurs d'onde infrarouges sont plus facilement absorbées par l'eau, par rapport aux longueurs d'onde solaires, qui passerait simplement de part en part.
Pour la couche supérieure de l'appareil, ils ont choisi un composite métal-céramique qui est un absorbeur solaire très efficace. Ils ont recouvert la couche inférieure de la structure d'un matériau qui émet facilement et efficacement de la chaleur infrarouge. Entre ces deux matériaux, ils ont pris en sandwich une couche de mousse de carbone réticulée - essentiellement, un matériau spongieux parsemé de tunnels sinueux et de pores, qui retient la chaleur entrante du soleil et peut réchauffer davantage la vapeur qui remonte à travers la mousse. Les chercheurs ont également attaché un petit tube de sortie à une extrémité de la mousse, à travers lequel toute la vapeur peut sortir et être facilement collectée.
Photographie de la structure d'évaporation solaire sans contact en couches démontée montrant (de bas en haut) :bassin d'eau ; coque de surchauffeur et mousse de carbone vitreuse réticulée; surface sélective; et vitrage polymère transparent. Crédit :Thomas A. Cooper
Finalement, ils ont placé l'appareil sur un bassin d'eau et ont entouré l'ensemble de l'installation d'une enceinte en polymère pour empêcher la chaleur de s'échapper.
"C'est cette ingénierie intelligente de différents matériaux et la façon dont ils sont agencés qui nous permet d'atteindre des rendements raisonnablement élevés avec cet arrangement sans contact, " dit Cooper.
À toute vapeur
Les chercheurs ont d'abord testé la structure en réalisant des expériences en laboratoire, en utilisant un simulateur solaire qui imite les caractéristiques de la lumière naturelle du soleil à des variations, intensités contrôlées. Ils ont découvert que la structure était capable de chauffer un petit bassin d'eau jusqu'au point d'ébullition et de produire de la vapeur surchauffée, à 122 C, dans des conditions simulant la lumière du soleil produite sur un fond clair, journée ensoleillée. Lorsque les chercheurs ont augmenté cette intensité solaire de 1,7 fois, ils ont trouvé que l'appareil produisait de la vapeur encore plus chaude, à 144 C.
Le 21 octobre, 2017, ils ont testé l'appareil sur le toit du bâtiment 1 du MIT, dans les conditions ambiantes. La journée était claire et lumineuse, et d'augmenter encore l'intensité du soleil, les chercheurs ont construit un simple concentrateur solaire - un miroir incurvé qui aide à collecter et à rediriger plus de lumière solaire sur l'appareil, augmentant ainsi le flux solaire entrant, de la même manière qu'une loupe peut être utilisée pour concentrer le rayon d'un soleil afin de chauffer un morceau de trottoir.
Photographie de la structure d'évaporation solaire sans contact fonctionnant sur le toit du MIT en octobre 2017. Un concentrateur solaire non suiveur permet d'atteindre des températures de vapeur pouvant atteindre 146 °C même pendant les mois d'automne.
Avec ce blindage supplémentaire, la structure a produit de la vapeur à plus de 146 °C en 3,5 heures. Dans des expériences ultérieures, l'équipe a pu produire de la vapeur à partir d'eau de mer, sans contaminer la surface de l'appareil avec des cristaux de sel. Dans une autre série d'expériences, ils ont également pu recueillir et condenser la vapeur dans un ballon pour produire pur, eau distillée.
Chen dit que, en plus de surmonter les défis de la contamination, la conception de l'appareil permet de collecter la vapeur en un seul point, en un flux concentré, alors que les conceptions précédentes produisaient une pulvérisation plus diluée.
"Cette conception résout vraiment le problème d'encrassement et le problème de collecte de vapeur, " dit Chen. " Maintenant, nous cherchons à rendre cela plus efficace et à améliorer le système. Il existe différentes opportunités, et nous examinons quelles sont les meilleures options à poursuivre."
