L’energia in una “spugna”: il Mit ne inventa una che produce vapore grazie al sole

[23 luglio 2014]

Gli scienziati del Massachusetts institute of technology (Mit) hanno creato un nuovo materiale che assorbe l’acqua come una spugna e la trasforma in vapore utilizzando solo la luce solare. Il nuovo materiale consiste in una lamina con due varietà di carbonio: la parte superiore è  formata da scaglie di grafite che concentrano l’energia luminosa, la parte inferiore è una spuma di carbonio che fa contemporaneamente a isolante e da spugna. Il tutto è una struttura di materiale poroso che galleggia sull’acqua.

Quando il sole batte sulle scaglie di grafite le riscalda, generando così un gradiente di pressione che fa sì che la “spugna” richiami l’acqua che evapora sotto forma di vapore. Più luce investe il materiale, più vapore si produce.

Al Mit spiegano che «Il nuovo materiale è in grado di convertire l’85% dell’energia solare in arrivo in vapore, un significativo miglioramento negli ultimi approcci per la generazione di vapore a energia solare. Inoltre, la configurazione nel processo  perde pochissimo calore e può produrre vapore ad una intensità solare relativamente bassa. Ciò significa che, se messa a punto, l’installazione probabilmente non richiede i complessi e costosi sistemi del solare ad alta concentrazione».

Secondo il leader del team di ricerca, Hadi Ghasemi,  del Dipartimento di ingegneria meccanica del Mit, «la struttura spugnosa può essere fatta con materiali relativamente poco costosi, un vantaggio particolare per una varietà di applicazioni compatte steam-powered. Il vapore è importante per la desalinizzazione, i sistemi igienici e  di sterilizzazione. Soprattutto in aree remote dove il sole è l’unica fonte di energia, la possibilità di produrre vapore con l’energia solare sarebbe molto utile».

Ghasemi, il capo del dipartimento di Ingegneria meccanica del Mit, Gang Chen, insieme ad altri 5 ricercatori del Mit ha esposto i risultati delle loro ricerche ed i dettagli del nuovo materiale che produce vapore su Nature Communications, ricordando che attualmente la produzione di vapore attraverso l’energia solare avviene utilizzando grandi campi di specchi o lenti che concentrano la luce solare  per riscaldare grandi volumi di liquidi a temperature sufficientemente elevate da produrre vapore. Ma questi sistemi complessi possono sperimentare significative perdite di calore, con una inefficiente  produzione  di vapore.

Per questo gli scienziati hanno cominciato ad esplorare modi per migliorare l’efficienza dell’assorbimento del calore del sole attraverso lo sviluppo di nuovi ricettori solari e lavorando con nanofluidi. Un secondo approccio prevede la miscelazione di acqua con nanoparticelle che si riscaldano rapidamente quando vengono esposte alla luce del sole, vaporizzando le molecole d’acqua circostanti. «Ma – come scrive Jennifer Chu su MIT News– avviare  questa reazione richiede un’energia solare molto intensa: circa 1000 volte quella di una media giornata di sole. Al contrario, l’approccio del Mit genera vapore ad una intensità solare circa 10 volte quella di una giornata di sole: la più bassa concentrazione ottica riferita finora».  Secondo i ricercatori, con questo nuovo materiale «I dispositivi che generano vapore possono funzionare con una concentrazione di luce solare inferiore e con sistemi di inseguimento meno costosi».  Ghasemi aggiunge: «Questo,  in riduzione dei costi, è un enorme vantaggio. Per noi è eccitante, perché con un nuovo approccio siamo arrivati ​​ alla  generazione di vapore solare».

Il concetto è relativamente semplice: dato che il vapore si genera sulla superficie di un liquido, il team di Ghasemi ha cercato un materiale che potesse essere sia efficiente nell’assorbire la luce solare che nel produrre vapore sulla superficie di un liquido. Dopo test con diversi materiali, i ricercatori del Mit hanno optato per una struttura a doppio strato a forma di disco sottile. La superficie è costituita da grafite che i ricercatori esfoliano  inserendo il materiale in un forno a microonde. «L’effetto – spiega Chen  – è proprio come quello del popcorn: La grafite bolle, formando un nido di fiocchi. Il risultato è un materiale altamente poroso che può assorbire e trattenere meglio l’energia solare. Lo strato inferiore della struttura è una schiuma di carbonio che contiene sacche di aria per mantenere a galla la schiuma e fungere da isolante, impedendo la fuoriuscita di calore al liquido sottostante. La schiuma contiene anche pori molto piccoli che permettono all’acqua di insinuarsi attraverso la struttura tramite un’azione capillare».

Quando la luce solare colpisce la struttura, crea un hotspot nello strato di grafite, generando un gradiente di pressione che estrae l’acqua attraverso la schiuma di carbonio. Come l’acqua penetra nello strato di grafite, il calore concentrato nella grafite trasforma l’acqua in vapore. La struttura funziona come una spugna che, una volta messa  in acqua in una calda giornata di sole, può continuamente assorbire e far evaporare il liquido.

I ricercatori hanno testato il nuovo materiale mettendolo in una camera di acqua ed esponendolo ad un simulatore solare: una sorgente luminosa che simula varie intensità di radiazione solare,  è così che hanno scoperto che erano in grado di convertire l’85%  dell’energia solare in vapore ad una intensità solare 10 volte quella di una tipica giornata di sole.

Ghasemi è convinto che «La struttura può essere progettata per essere ancora più efficiente, a seconda del tipo di materiale utilizzato. Ci possono essere diverse combinazioni di materiali che possono essere utilizzati in queste due strati che possono portare a efficienze superiori a concentrazioni più basse. C’è ancora molta  ricerca che può essere fatta per implementarla in sistemi più grandi».

Al Mit pensano che questa “spugna” al carbonio possa rendere ecologicamente sostenibili molte centrali elettriche a combustibili fossili.