Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) han construido un dispositivo que absorbe suficiente calor del sol para hervir agua y producir un vapor "sobrecalentado" a más de 100 grados centígrados, sin ningún tipo de óptica costosa.
En un día soleado, la estructura puede bombear pasivamente vapor lo suficientemente caliente como para esterilizar el equipo médico, así como para utilizarlo en la cocina y la limpieza. El vapor también puede suministrar calor a los procesos industriales, o puede recolectarse y condensarse para producir agua potable desalinizada y destilada.
Los investigadores desarrollaron previamente una estructura similar a una esponja que flotaba en un recipiente con agua y convertía el agua que absorbía en vapor. Pero una gran preocupación es que los contaminantes en el agua hicieron que la estructura se degradara con el tiempo. El nuevo dispositivo está diseñado para ser suspendido sobre el agua, para evitar cualquier posible contaminación.
El dispositivo suspendido tiene aproximadamente el tamaño y el grosor de una pequeña tableta digital o lector electrónico, y está estructurado como un sándwich: la capa superior está hecha de un material que absorbe eficientemente el calor del sol, mientras que la capa inferior emite de manera eficiente ese calor al agua de abajo. Una vez que el agua alcanza el punto de ebullición (100 grados centígrados), libera vapor que vuelve a subir al dispositivo, donde se canaliza a través de la capa intermedia, un material similar a una espuma que calienta aún más el vapor por encima del punto de ebullición, antes de ser bombeado a través de un solo tubo.
"Es un sistema completamente pasivo: simplemente lo dejas afuera para absorber la luz solar", dice subraya Cooper, profesor asistente de Ingeniería Mecánica en la Universidad de York (Reino Unido), quien dirigió el trabajo como postdoctorado en el MIT. "Se podría aplicar esto a algo que podría usarse en climas remotos para generar suficiente agua potable para una familia, o esterilizar el equipo para una sala de operaciones", añade.
Los resultados del equipo se detallan en un artículo que se publica en 'Nature Communications'. El estudio incluye investigadores del laboratorio de Gang Chen y el profesor de ingeniería energética Carl Richard Soderberg en el MIT.
Una combinación inteligente
En 2014, el grupo de Chen informó sobre la primera demostración de un generador de vapor simple, accionado por energía solar, en forma de una espuma de carbono cubierta de grafito que flota en el agua. Esta estructura absorbe y localiza el calor del sol en la superficie del agua (de lo contrario, el calor penetraría a través del agua). Desde entonces, su grupo y otros han buscado mejorar la eficiencia del diseño con materiales de diferentes propiedades de absorción solar.
Pero casi todos los dispositivos han sido diseñados para flotar directamente en el agua, y todos se han encontrado con el problema de la contaminación, ya que sus superficies entran en contacto con la sal y otras impurezas en el agua. El equipo decidió diseñar un dispositivo que, en cambio, esté suspendido sobre el agua.
El vapor también puede suministrar calor a los procesos industriales, o puede recolectarse y condensarse para producir agua potable desalinizada y destilada
El dispositivo está estructurado para absorber la energía solar de longitud de onda corta, que a su vez calienta el dispositivo, lo que hace que este calor, en forma de radiación infrarroja de longitud de onda más larga, vuelva a irradiar al agua que se encuentra debajo. Curiosamente, los investigadores señalan que las longitudes de onda infrarrojas son más fácilmente absorbidas por el agua, en comparación con las longitudes de onda solares, que simplemente pasan.
Para la capa superior del dispositivo, eligieron un compuesto metálico cerámico que es un absorbente solar altamente eficiente. Recubren la capa inferior de la estructura con un material que emite calor de manera fácil y eficiente. Entre estos dos materiales, emparedaron una capa de espuma de carbono reticulada, esencialmente, un material similar a una esponja salpicado de túneles y poros, que retiene el calor entrante del sol y puede calentar aún más el vapor que asciende a través de la espuma.
Los investigadores también colocaron un pequeño tubo de salida en un extremo de la espuma, a través del cual todo el vapor puede salir y recolectarse fácilmente. Finalmente, pusieron el dispositivo sobre un recipiente de agua y rodearon toda la configuración con un recinto de polímero para evitar que el calor se escape. "Es esta ingeniosa ingeniería de diferentes materiales y la forma en que están organizados lo que nos permite lograr eficiencias razonablemente altas con este dispositivo sin contacto", dice Cooper.
Todo vapor
Los investigadores probaron la estructura por primera vez realizando experimentos en el laboratorio, utilizando un simulador solar que imita las características de la luz solar natural a intensidades variables y controladas. Descubrieron que la estructura podía calentar un pequeño recipiente de agua hasta el punto de ebullición y producir vapor sobrecalentado, a 122 ° C, en condiciones que simulaban la luz solar producida en un día claro y soleado. Cuando los autores aumentaron esta intensidad solar en 1,7 veces, encontraron que el dispositivo producía vapor aún más caliente, a 144 ° C.
El 21 de octubre de 2017, probaron el dispositivo en el techo del Edificio 1 del MIT, en condiciones ambientales. El día fue claro y brillante, y para aumentar aún más la intensidad del sol, los investigadores construyeron un concentrador solar simple: un espejo curvo que ayuda a recolectar y redirigir más luz solar al dispositivo, aumentando así el flujo solar entrante, similar a la forma en que se puede usar una lupa para concentrar los rayos solares para calentar un parche de pavimento.
Con este blindaje adicional, la estructura produjo vapor a más de 146 ° C en el transcurso de 3,5 horas. En experimentos posteriores, el equipo pudo producir vapor de agua de mar, sin contaminar la superficie del dispositivo con cristales de sal. En otro grupo de experimentos, también pudieron recolectar y condensar el vapor en un matraz para producir agua destilada pura.
Chen dice que, además de superar los desafíos de la contaminación, el diseño del dispositivo permite que se recolecte el vapor en un solo punto, en una corriente concentrada, mientras que los diseños anteriores produjeron un rociado más diluido. "Este diseño realmente resuelve el problema de contaminación y el problema de recolección de vapor --dice Chen--. Ahora buscamos hacer esto más eficiente y mejorar el sistema. Hay diferentes oportunidades, y estamos viendo cuáles son las mejores opciones a seguir".
