Un système de dessalement entièrement passif à énergie solaire développé par des chercheurs du MIT et en Chine pourrait fournir plus de 1,5 gallon d'eau potable fraîche par heure pour chaque mètre carré de zone de collecte solaire. De tels systèmes pourraient potentiellement desservir les zones côtières arides hors réseau pour fournir un source d'eau à faible coût.

Le système utilise plusieurs couches d'évaporateurs et de condenseurs solaires plats, alignés dans un réseau vertical et surmontés d'une isolation en aérogel transparent. Il est décrit dans un article paru aujourd'hui dans la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement , rédigé par les doctorants du MIT Lenan Zhang et Lin Zhao, postdoc Zhenyuan Xu, professeur de génie mécanique et chef de département Evelyn Wang, et huit autres au MIT et à l'Université Jiao Tong de Shanghai en Chine.

La clé de l'efficacité du système réside dans la façon dont il utilise chacune des multiples étapes pour dessaler l'eau. A chaque étape, la chaleur dégagée par l'étage précédent est captée au lieu d'être gaspillée. De cette façon, le dispositif de démonstration de l'équipe peut atteindre une efficacité globale de 385% en convertissant l'énergie de la lumière du soleil en énergie d'évaporation de l'eau.

L'appareil est essentiellement un alambic solaire multicouche, avec un ensemble de composants d'évaporation et de condensation comme ceux utilisés pour distiller la liqueur. Il utilise des panneaux plats pour absorber la chaleur, puis transférer cette chaleur à une couche d'eau afin qu'elle commence à s'évaporer. La vapeur se condense ensuite sur le panneau suivant. Cette eau est collectée, tandis que la chaleur de la condensation de vapeur passe à la couche suivante.

Chaque fois que la vapeur se condense sur une surface, il dégage de la chaleur; dans les systèmes de condensation typiques, cette chaleur est simplement perdue dans l'environnement. Mais dans cet évaporateur multicouche, la chaleur libérée s'écoule vers la couche d'évaporation suivante, recycler la chaleur solaire et augmenter l'efficacité globale.

"Quand tu condenses de l'eau, vous libérez de l'énergie sous forme de chaleur, " dit Wang. " Si vous avez plus d'une étape, vous pouvez profiter de cette chaleur."

L'ajout de couches supplémentaires augmente l'efficacité de conversion pour la production d'eau potable, mais chaque couche ajoute également des coûts et du volume au système. L'équipe a opté pour un système en 10 étapes pour son dispositif de validation de principe, qui a été testé sur le toit d'un bâtiment du MIT. Le système a fourni une eau pure qui dépassait les normes d'eau potable de la ville, à un taux de 5,78 litres par mètre carré (environ 1,52 gallons par 11 pieds carrés) de surface de collecte solaire. C'est plus de deux fois plus que la quantité record précédemment produite par un tel système de dessalement solaire passif, dit Wang.

Théoriquement, avec plus d'étapes de dessalement et une optimisation plus poussée, de tels systèmes pourraient atteindre des niveaux d'efficacité globale aussi élevés que 700 ou 800 pour cent, dit Zhang.

Contrairement à certains systèmes de dessalement, il n'y a pas d'accumulation de sel ou de saumure concentrée à éliminer. Dans une configuration flottante, tout sel qui s'accumule pendant la journée serait simplement ramené la nuit à travers le matériau absorbant et renvoyé dans l'eau de mer, selon les chercheurs.

Leur unité de démonstration a été construite principalement à partir de matériaux peu coûteux, des matériaux facilement disponibles tels qu'un absorbeur solaire noir commercial et des serviettes en papier pour une mèche capillaire pour transporter l'eau en contact avec l'absorbeur solaire. Dans la plupart des autres tentatives de fabrication de systèmes de dessalement solaires passifs, le matériau absorbant solaire et le matériau absorbant sont un seul composant, qui nécessite des matériaux spécialisés et coûteux, dit Wang. "Nous avons réussi à découpler ces deux-là."

Le composant le plus cher du prototype est une couche d'aérogel transparent servant d'isolant au sommet de l'empilement, mais l'équipe suggère que d'autres isolants moins chers pourraient être utilisés comme alternative. (L'aérogel lui-même est fabriqué à partir de silice bon marché mais nécessite un équipement de séchage spécialisé pour sa fabrication.)

Wang souligne que la contribution clé de l'équipe est un cadre pour comprendre comment optimiser de tels systèmes passifs à plusieurs étages, qu'ils appellent le dessalement à plusieurs étages thermiquement localisé. Les formules qu'ils ont développées pourraient probablement être appliquées à une variété de matériaux et d'architectures de dispositifs, permettant une optimisation plus poussée des systèmes en fonction de différentes échelles d'exploitation ou des conditions et matériaux locaux.

Une configuration possible serait des panneaux flottants sur un plan d'eau salée comme un étang de retenue. Ceux-ci pourraient fournir constamment et passivement de l'eau douce à travers des tuyaux jusqu'au rivage, tant que le soleil brille chaque jour. D'autres systèmes pourraient être conçus pour desservir un seul foyer, peut-être en utilisant un panneau plat sur un grand réservoir d'eau de mer peu profond qui est pompé ou transporté. L'équipe estime qu'un système avec une zone de collecte solaire d'environ 1 mètre carré pourrait répondre aux besoins quotidiens en eau potable d'une personne. En production, ils pensent qu'un système conçu pour répondre aux besoins d'une famille pourrait coûter environ 100 $.

Les chercheurs prévoient d'autres expérimentations pour continuer à optimiser le choix des matériaux et des configurations, et de tester la durabilité du système dans des conditions réalistes. Ils travailleront également à traduire la conception de leur appareil à l'échelle du laboratoire en quelque chose qui conviendrait à une utilisation par les consommateurs. L'espoir est qu'il pourrait finalement jouer un rôle dans la réduction de la pénurie d'eau dans certaines parties du monde en développement où l'électricité fiable est rare mais l'eau de mer et la lumière du soleil sont abondantes.

« Cette nouvelle approche est très importante, " dit Ravi Prasher, directeur de laboratoire associé au Lawrence Berkeley National Laboratory et professeur adjoint de génie mécanique à l'Université de Californie à Berkeley, qui n'a pas participé à ce travail. "L'un des défis du dessalement solaire à base d'alambic a été le faible rendement en raison de la perte d'énergie significative dans la condensation. En récoltant efficacement l'énergie de condensation, l'efficacité globale du soleil à la vapeur est considérablement améliorée. … Cette efficacité accrue aura un impact global sur la réduction du coût de l'eau produite.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.