INNOVAZIONI/ Gli ingegneri del MIT imparano dalle spugne a produrre vapore

- Michele Orioli

La rivista Nature Communications descrive un nuovo materiale sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT che genera vapore “assorbendo” energia solare. MICHELE ORIOLI

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Solar Hot Spot (MIT)

Gli ingegneri sempre più prendono suggerimenti dalla natura per sviluppare sofisticate tecnologie, soprattutto in campo energetico e ambientale. Le idee in proposito si moltiplicano. Come quella presentata nei giorni scorsi sulla rivista Nature Communications che descrive un nuovo materiale sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT (Massachusetts Institute of Technology) che genera vapore “assorbendo” energia solare.

La nuova struttura è composta da uno strato di scaglie di grafite e da una sottostante schiuma di carbonio; in tal modo si comporta come un materiale isolante e poroso che galleggia sull’acqua. L’approccio del team di ingegneri del MIT è relativamente semplice: poiché il vapore è generato sulla superficie di un liquido, hanno cercato un materiale che fosse efficiente sia nell’assorbire la luce solare sia nel generare vapore sulla superficie di un liquido.

Dopo molte prove con diversi materiali, si sono orientati su una struttura a doppio strato a forma di disco sottile. La sua superficie è costituita da grafite che i ricercatori hanno esfoliato inserendo il materiale in un forno a microonde. Un effetto, dicono, “proprio come con i popcorn”: la grafite bolle, formando un nido di fiocchi. Il risultato è un materiale altamente poroso che può ottimamente assorbire e trattenere 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 verso il liquido sottostante. La schiuma contiene anche molto piccoli pori che permettono all’acqua di insinuarsi attraverso la struttura tramite 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 carbonio. Quando l’acqua penetra nello strato di grafite, il calore concentrato nella grafite trasforma l’acqua in vapore. La struttura funziona in pratica come una spugna che, una volta messo in acqua in una calda giornata di Sole, può continuamente assorbire e far evaporare il liquido. Maggiore è la luminosità, tanto più vapore viene generato.

Il nuovo materiale è in grado di convertire una quota rilevante dell’energia solare in arrivo in vapore, con un significativo miglioramento rispetto alle ultime tecniche di generazione di vapore da energia solare. Inoltre, la configurazione perde pochissimo calore nel processo e può produrre vapore con intensità solare relativamente bassa; ciò significa che, fatte gli opportune cambiamenti di scala, l’installazione non dovrebbe richiedere sistemi complesse e costosi per ottenere un’alta concentrare di luce solare.

I ricercatori del MIT sostengono che la struttura spugnosa può essere prodotta con materiali relativamente poco costosi, con un particolare vantaggio nella realizzazione di una varietà di applicazioni a vapore compatte. La produzione di vapore è importante per la desalinizzazione, per i sistemi igienici e per la sterilizzazione; ciò soprattutto in aree isolate, dove il Sole è l’unica fonte di energia e dove la possibilità di generare vapore con l’energia solare sarebbe molto preziosa.

Attualmente la produzione di vapore a energia solare implica l’allestimento di vasti campi di specchi o lenti per concentrare la luce solare e il riscaldamento di grandi volumi di liquido a temperature sufficientemente elevate. Tuttavia, questi sistemi complessi possono incorrere in significative perdite di calore, con conseguente minor efficienza nella generazione di vapore.

Recentemente, alcuni scienziati hanno esplorato modi alternativi per migliorare l’efficienza del solare termico attraverso lo sviluppo di nuovi ricevitori solari e lavorando con nanofluidi. Quest’ultimo approccio prevede la miscelazione di acqua con nanoparticelle che si riscaldano rapidamente quando sono esposte alla luce del Sole, vaporizzando le molecole d’acqua circostanti. Ma l’innesco di questa reazione richiede un’energia solare molto intensa, circa 1000 volte quella di una giornata mediamente soleggiata.

Per contro, l’approccio degli ingegneri del MIT porta a generare vapore ad una intensità solare circa 10 volte quella di una giornata di Sole, la più bassa concentrazione ottica finora sperimentata. La conseguenza, dicono i ricercatori, è che le applicazioni che generano vapore possono funzionare con concentrazione di luce solare inferiore e con sistemi di inseguimento meno costosi. 

I ricercatori hanno già testato la nuova struttura ponendolo in una vasca piena d’acqua ed esponendola ad un simulatore solare, cioè a una sorgente luminosa che simula varie intensità di radiazione solare. Hanno così scoperto che erano in grado di convertire l’85% dell’energia solare in vapore con una intensità solare pari a 10 volte quella di una tipica giornata di Sole. Ma sono convinti che la struttura possa essere progettata per risultare ancora più efficiente, a seconda del tipo di materiale utilizzato e delle diverse combinazioni di materiali predisposte.

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