MIT-ingenjörer har byggt en enhet som suger upp tillräckligt med värme från solen för att koka vatten och producera "överhettad" ånga som är varmare än 100 grader Celsius, utan någon dyr optik.

På en solig dag, strukturen kan passivt pumpa ut ånga som är tillräckligt varm för att sterilisera medicinsk utrustning, samt att använda vid matlagning och städning. Ångan kan också leverera värme till industriella processer, eller det kan samlas upp och kondenseras för att producera avsaltat, destillerat dricksvatten.

Forskarna utvecklade tidigare en svampliknande struktur som flöt i en behållare med vatten och förvandlade vattnet den absorberade till ånga. Men ett stort problem är att föroreningar i vattnet gjorde att strukturen försämrades med tiden. Den nya enheten är designad för att hängas över vattnet, för att undvika eventuell kontaminering.

Den upphängda enheten är ungefär lika stor och tjock som en liten digital surfplatta eller e-läsare, och är strukturerad som en smörgås:Det översta lagret är tillverkat av ett material som effektivt absorberar solens värme, medan bottenskiktet effektivt avger den värmen till vattnet under. När vattnet når kokpunkten (100 C), den släpper ut ånga som stiger tillbaka upp i enheten, där det leds genom mittskiktet - ett skumliknande material som ytterligare värmer ångan över kokpunkten, innan det pumpas ut genom ett enda rör.

"Det är ett helt passivt system - du lämnar det bara utanför för att absorbera solljus, säger Thomas Cooper, biträdande professor i maskinteknik vid York University, som ledde arbetet som postdoc vid MIT. "Du kan skala upp detta till något som kan användas i avlägsna klimat för att generera tillräckligt med dricksvatten för en familj, eller sterilisera utrustning för en operationssal."

Teamets resultat beskrivs i ett papper som ska publiceras i Naturkommunikation . Studien inkluderar forskare från Gang Chens labb, Carl Richard Söderberg professor i kraftteknik vid MIT.

En smart kombination

Under 2014, Chens grupp rapporterade den första demonstrationen av en enkel, soldriven ånggenerator, i form av ett grafitbelagt kolskum som flyter på vatten. Denna struktur absorberar och lokaliserar solens värme till vattenytan (värmen skulle annars tränga ner genom vattnet). Sedan dess, hans grupp och andra har försökt förbättra effektiviteten i designen med material med varierande solabsorberande egenskaper. Men nästan alla enheter har designats för att flyta direkt på vattnet, och de har alla stött på problemet med kontaminering, eftersom deras ytor kommer i kontakt med salt och andra föroreningar i vatten.

Teamet bestämde sig för att designa en enhet som istället hängs ovanför vattnet. Enheten är strukturerad för att absorbera kortvågig solenergi, vilket i sin tur värmer upp enheten, får den att återutstråla denna värme, i form av infraröd strålning med längre våglängder, till vattnet nedanför. Intressant, forskarna noterar att infraröda våglängder lättare absorberas av vatten, kontra solvåglängder, som helt enkelt skulle passera rakt igenom.

För enhetens översta lager, de valde en metallkeramisk komposit som är en mycket effektiv solfångare. De belade strukturens bottenskikt med ett material som enkelt och effektivt avger infarerad värme. Mellan dessa två material, de lade ett lager av retikulerat kolskum – i huvudsak, ett svampliknande material översållat med slingrande tunnlar och porer, som behåller solens inkommande värme och ytterligare kan värma upp ångan som stiger upp genom skummet. Forskarna fäste också ett litet utloppsrör till ena änden av skummet, genom vilken all ånga kan komma ut och enkelt samlas upp.

Till sist, de placerade enheten över en bassäng med vatten och omgav hela installationen med ett polymerhölje för att förhindra värme från att strömma ut.

"Det är den här smarta konstruktionen av olika material och hur de är arrangerade som gör att vi kan uppnå rimligt hög effektivitet med detta beröringsfria arrangemang, säger Cooper.

Full fart framåt

Forskarna testade först strukturen genom att köra experiment i labbet, använder en solsimulator som efterliknar egenskaperna hos naturligt solljus vid varierande, kontrollerade intensiteter. De fann att strukturen kunde värma en liten bassäng med vatten till kokpunkten och producera överhettad ånga, vid 122 C, under förhållanden som simulerade solljuset som produceras på en klar, solig dag. När forskarna ökade denna solintensitet med 1,7 gånger, de fann att enheten producerade ännu hetare ånga, vid 144 C.

Den 21 oktober 2017, de testade enheten på taket av MIT:s byggnad 1, under omgivningsförhållanden. Dagen var klar och ljus, och för att öka solens intensitet ytterligare, forskarna konstruerade en enkel solkoncentrator – en böjd spegel som hjälper till att samla in och omdirigera mer solljus till enheten, vilket höjer det inkommande solflödet, liknande sättet som ett förstoringsglas kan användas för att koncentrera en solstråle för att värma upp en bit trottoar.

Med denna extra avskärmning, strukturen producerade ånga över 146 C under loppet av 3,5 timmar. I efterföljande experiment, teamet kunde producera ånga från havsvatten, utan att förorena enhetens yta med saltkristaller. I en annan uppsättning experiment, de kunde också samla upp och kondensera ångan i en kolv för att producera ren, destillerat vatten.

Chen säger att förutom att övervinna utmaningarna med kontaminering, enhetens design gör det möjligt att samla upp ånga vid en enda punkt, i en koncentrerad ström, medan tidigare konstruktioner gav mer utspädd spray.

"Denna design löser verkligen nedsmutsningsproblemet och ånguppsamlingsproblemet, ", säger Chen. "Nu försöker vi göra detta mer effektivt och förbättra systemet. Det finns olika möjligheter, och vi tittar på vilka som är de bästa alternativen att utöva."