La plupart des centrales électriques mondiales, qu'elles soient alimentées au charbon, gaz naturel, ou fission nucléaire :produire de l'électricité en générant de la vapeur qui fait tourner une turbine. Cette vapeur est ensuite recondensée en eau, et le cycle recommence.

Mais les condenseurs qui récupèrent la vapeur sont assez inefficaces, et leur amélioration pourrait faire une grande différence dans l'efficacité globale des centrales électriques.

Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT a développé un moyen de revêtir ces surfaces de condenseur d'une couche de graphène, juste un atome d'épaisseur, et a constaté que cela peut améliorer le taux de transfert de chaleur d'un facteur quatre - et potentiellement même plus que cela, avec d'autres travaux. Et contrairement aux revêtements polymères, les revêtements de graphène se sont avérés très durables lors de tests en laboratoire.

Les résultats sont rapportés dans le journal Lettres nano par Daniel Preston, étudiant diplômé du MIT, les professeurs Evelyn Wang et Jing Kong, et deux autres. L'amélioration du transfert de chaleur du condenseur, qui n'est qu'une étape dans le cycle de production d'électricité, pourrait conduire à une amélioration globale de l'efficacité des centrales électriques de 2 à 3 pour cent sur la base des chiffres de l'Electric Power Research Institute, Preston dit-assez pour faire une brèche significative dans les émissions mondiales de carbone, puisque ces centrales représentent la grande majorité de la production d'électricité mondiale. "Cela se traduit par des millions de dollars par centrale électrique par an, " il explique.

Il existe deux manières de base dont les condenseurs, qui peuvent prendre la forme de tubes métalliques enroulés, souvent en cuivre—interagir avec le flux de vapeur. Dans certains cas, la vapeur se condense pour former une mince couche d'eau qui recouvre la surface; dans d'autres, il forme des gouttelettes d'eau qui sont tirées de la surface par gravité.

Lorsque la vapeur forme un film, Preston explique, qui entrave le transfert de chaleur - et réduit ainsi l'efficacité - de la condensation. L'objectif de nombreuses recherches a donc été d'améliorer la formation de gouttelettes sur ces surfaces en les rendant hydrofuges.

Souvent, cela a été accompli en utilisant des revêtements polymères, mais ceux-ci ont tendance à se dégrader rapidement dans la chaleur et l'humidité élevées d'une centrale électrique. Et lorsque les revêtements sont plus épais pour réduire cette dégradation, les revêtements eux-mêmes empêchent le transfert de chaleur.

"Nous avons pensé que le graphène pouvait être utile, " Preston dit, "puisque nous savons qu'il est hydrophobe par nature." Alors lui et ses collègues ont décidé de tester la capacité du graphène à évacuer l'eau, et sa durabilité, dans des conditions typiques de centrale électrique - un environnement de vapeur d'eau pure à 100 degrés Celsius.

Ils ont découvert que le revêtement de graphène à un seul atome d'épaisseur a en effet quadruplé le transfert de chaleur par rapport aux surfaces où le condensat forme des nappes d'eau, tels que les métaux nus. D'autres calculs ont montré que l'optimisation des différences de température pouvait multiplier cette amélioration de 5 à 7 fois. Les chercheurs ont également montré qu'après deux semaines complètes dans de telles conditions, il n'y a pas eu de dégradation mesurable des performances du graphène.

Par comparaison, des tests similaires utilisant un revêtement hydrofuge commun ont montré que le revêtement a commencé à se dégrader en seulement trois heures, Preston dit, et a complètement échoué dans les 12 heures.

Parce que le processus utilisé pour recouvrir le graphène sur la surface du cuivre, appelé dépôt chimique en phase vapeur, a été largement testé, la nouvelle méthode pourrait être prête à être testée dans des conditions réelles "en aussi peu qu'un an, " dit Preston. Et le processus devrait être facilement évolutif pour alimenter des serpentins de condenseur de la taille d'une usine.

« Ce travail est extrêmement important car, à ma connaissance, c'est le premier rapport de condensation goutte à goutte durable avec un revêtement de surface monocouche, " dit Jonathan Boreyko, professeur adjoint de génie biomédical et de mécanique à Virginia Tech qui a étudié la condensation sur une surface superhydrophobe. "Ces résultats sont quelque peu surprenants et très excitants."

Boreyko, qui n'a pas participé à la recherche, ajoute que cette méthode, si prouvé par des tests supplémentaires, « pourrait améliorer considérablement l'efficacité des centrales électriques et d'autres systèmes utilisant des condenseurs ».

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.