Ett helt passivt soldrivet avsaltningssystem utvecklat av forskare vid MIT och i Kina skulle kunna ge mer än 1,5 liter färskt dricksvatten per timme för varje kvadratmeter soluppsamlingsområde. Sådana system skulle potentiellt kunna tjäna torra kustområden utanför nätet för att tillhandahålla en effektiv, låg kostnad vattenkälla.

Systemet använder flera lager av platta solindunstare och kondensorer, uppradade i en vertikal uppsättning och toppad med transparent aerogelisolering. Det beskrivs i en tidning som publiceras idag i tidskriften Energi- och miljövetenskap , författad av MIT doktorander Lenan Zhang och Lin Zhao, postdoc Zhenyuan Xu, professor i maskinteknik och avdelningschef Evelyn Wang, och åtta andra vid MIT och vid Shanghai Jiao Tong University i Kina.

Nyckeln till systemets effektivitet ligger i hur det använder vart och ett av de flera stegen för att avsalta vattnet. I varje skede, värme som frigjorts från föregående steg utnyttjas istället för att slösas bort. På det här sättet, teamets demonstrationsenhet kan uppnå en total effektivitet på 385 procent när det gäller att omvandla energin från solljus till energin från vattenavdunstning.

Enheten är i huvudsak en solcellsdestillation i flera lager, med en uppsättning av förångande och kondenserande komponenter som de som används för att destillera vätska. Den använder platta paneler för att absorbera värme och överför sedan den värmen till ett lager vatten så att det börjar avdunsta. Ångan kondenserar sedan på nästa panel. Det vattnet samlas upp, medan värmen från ångkondensationen går vidare till nästa lager.

Närhelst ånga kondenserar på en yta, det avger värme; i typiska kondensorsystem, att värme helt enkelt går förlorad till miljön. Men i denna flerskiktsförångare strömmar den frigjorda värmen till nästa förångningsskikt, återvinna solvärmen och öka den totala effektiviteten.

"När du kondenserar vatten, du frigör energi som värme, " säger Wang. "Om du har mer än ett steg, du kan dra nytta av den värmen."

Att lägga till fler lager ökar omvandlingseffektiviteten för att producera dricksvatten, men varje lager lägger också till kostnad och bulk till systemet. Teamet bestämde sig för ett 10-stegssystem för sin proof-of-concept-enhet, som testades på ett MIT-byggnadstak. Systemet levererade rent vatten som översteg stadens dricksvattenstandarder, med en hastighet av 5,78 liter per kvadratmeter (cirka 1,52 gallon per 11 kvadratfot) soluppsamlingsyta. Detta är mer än två gånger så mycket som rekordmängden som tidigare producerats av ett sådant passivt soldrivet avsaltningssystem, säger Wang.

Teoretiskt sett, med fler avsaltningssteg och ytterligare optimering, sådana system kan nå totala effektivitetsnivåer så höga som 700 eller 800 procent, säger Zhang.

Till skillnad från vissa avsaltningssystem, det finns ingen ansamling av salt eller koncentrerad saltlösning som ska kasseras. I en fritt flytande konfiguration, allt salt som ackumuleras under dagen skulle helt enkelt föras tillbaka på natten genom vekmaterialet och tillbaka till havsvattnet, enligt forskarna.

Deras demonstrationsenhet byggdes mestadels av billiga, lättillgängliga material såsom en kommersiell svart solabsorbator och pappershanddukar för en kapillärveke för att föra vattnet i kontakt med solabsorbatorn. I de flesta andra försök att göra passiva solavsaltningssystem, solabsorbentmaterialet och vekmaterialet har varit en enda komponent, som kräver specialiserade och dyra material, säger Wang. "Vi har kunnat frikoppla dessa två."

Den dyraste komponenten i prototypen är ett lager av genomskinlig aerogel som används som en isolator på toppen av stapeln, men teamet föreslår att andra billigare isolatorer kan användas som ett alternativ. (Aerogelen i sig är gjord av smutsbillig kiseldioxid men kräver specialiserad torkutrustning för tillverkningen.)

Wang betonar att teamets nyckelbidrag är ett ramverk för att förstå hur man optimerar sådana passiva flerstegssystem, som de kallar termiskt lokaliserad flerstegsavsaltning. Formlerna de utvecklade skulle sannolikt kunna tillämpas på en mängd olika material och enhetsarkitekturer, möjliggör ytterligare optimering av system baserat på olika driftskalor eller lokala förhållanden och material.

En möjlig konfiguration skulle vara flytande paneler på en saltvattenförekomst såsom en uppsamlingsdamm. Dessa kunde ständigt och passivt leverera färskvatten genom rör till stranden, så länge solen skiner varje dag. Andra system skulle kunna utformas för att tjäna ett enda hushåll, kanske med hjälp av en platt panel på en stor grund tank med havsvatten som pumpas eller transporteras in. Teamet uppskattar att ett system med en cirka 1 kvadratmeter soluppsamlingsyta skulle kunna tillgodose det dagliga dricksvattenbehovet för en person. I produktion, de tror att ett system byggt för att tillgodose en familjs behov kan byggas för cirka 100 dollar.

Forskarna planerar ytterligare experiment för att fortsätta att optimera valet av material och konfigurationer, och att testa systemets hållbarhet under realistiska förhållanden. De kommer också att arbeta med att översätta designen av deras lab-skala enhet till något som skulle vara lämpligt att använda av konsumenter. Förhoppningen är att det i slutändan skulle kunna spela en roll för att lindra vattenbrist i delar av utvecklingsvärlden där pålitlig elektricitet är bristfällig men havsvatten och solljus är rikligt.

"Det här nya tillvägagångssättet är mycket betydelsefullt, säger Ravi Prasher, en biträdande labbdirektör vid Lawrence Berkeley National Laboratory och adjungerad professor i maskinteknik vid University of California i Berkeley, som inte var involverad i detta arbete. "En av utmaningarna vid avsaltning av solenergi har varit låg effektivitet på grund av förlusten av betydande energi i kondensering. Genom att effektivt skörda kondensationsenergin, den totala effektiviteten från solenergi till ånga är dramatiskt förbättrad. … Denna ökade effektivitet kommer att ha en övergripande inverkan på att minska kostnaderna för producerat vatten."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.