Kärn- och kolkraftverk är några av de törstigaste maskinerna på jorden. Turbinerna som snurrar inuti dem för att generera elektricitet kräver ton och ton av ånga, och allt det vattnet måste komma någonstans ifrån.

Nyligen genomförda studier har uppskattat att ungefär två femtedelar av landets sötvattenuttag och tre procent av den totala sötvattenförbrukningen går till att försörja ånggeneratorerna vid stora kraftverk i USA. För att minska på de enorma mängder vatten som krävs för att driva dessa anläggningar, forskare har börjat leta efter ny teknik som kan förbättra deras effektivitet och minska efterfrågan på vatten.

Som en del av ett större konsortium med partners från flera energibolag, universitet, och statliga myndigheter, forskare vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory utvecklar en speciell klass av nanopartiklar som delvis smälter när ånga avdunstar från en anläggnings kyltorn, absorberar en betydande andel av den diffusa värmen i systemet.

För att fungera, elektriska anläggningar använder en cykel som använder delvis kondenserad högtemperaturånga för att vända en stor turbin. Under generationen, en betydande mängd av denna ånga går förlorad på grund av avdunstning. "I varje cykel, det finns en betydande mängd vatten som vi inte kan återta, " sa Argonne materialforskare Dileep Singh, som arbetar med att utveckla de specialiserade nanopartiklarna.

Nanopartiklarna är baserade på vad som kallas en "kärna-skal"-konfiguration, där ett fast ytterskikt skyddar ett inre lager som kan smälta över en viss temperatur. När den väl har spridits i anläggningens vattenförsörjning, nanopartiklarna kan absorbera värme under den termiska cykeln. Efter delvis smältning, partiklarna åker till kyltornet där de stelnar igen. Systemet är stängt och utformat för att förhindra läckage av anläggningens vatten eller ånga till miljön.

På molekylär nivå, Singh och hans kollegor är särskilt bekymrade över nanopartiklarnas yta, eftersom kemin vid gränsen mellan metallen och vattnet avgör hur mycket värme partiklarna kan ta upp. "Vi experimenterar med att titta på bindningen mellan partiklarna och vattenmolekylerna, " sa han.

"Vad vi verkligen vill veta är hur mycket värme vi kan ta upp med en konstant mängd vatten för att kyla systemet, ” lade han till. "En miljömässigt ansvarsfull energitillväxt innebär att du oroar dig för hur du hanterar dina vattenresurser."

De stora mängderna vatten som behövs för att driva dessa anläggningar kommer att kräva massproduktion av nanopartiklarna när de väl är kommersiellt utvecklade, ett faktum som potentiellt skulle kunna komplicera forsknings- och utvecklingsprocessen, sa Argonne biträdande divisionsdirektör Thomas Ewing. "När vi börjar laboratorietester, vi måste ha i åtanke kostnaderna och problem som är förknippade med att få detta att fungera i ett verkligt levande kraftverk, " sa han. "Det finns många avvägningar att ta hänsyn till."

Enligt Ewing, Argonne arbetar med Electric Power Research Institute och andra partners för att snabbt flytta denna grundläggande teknik genom utvecklingspipelinen. De initiala planerna kräver att demonstrationen av proof of concept ska börja i år och att fullskalig kommersiell utbyggnad ska börja om fyra år. "Det är praktiskt taget ovanligt för industrin att försöka implementera en ny teknik så snabbt, sa Ewing. "Men vattenförbrukning är en stor fråga som begränsar kraftutbyggnaden. Om vi ​​vill lösa energikrisen, vi måste röra oss djärvt."