(Phys.org) – Rice University-forskare har avslöjat en revolutionerande ny teknik som använder nanopartiklar för att omvandla solenergi direkt till ånga. Den nya "solar steam"-metoden från Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) är så effektiv att den till och med kan producera ånga från iskallt vatten.

Detaljer om solångmetoden publicerades online idag i ACS Nano . Tekniken har en total energieffektivitet på 24 procent. Solcellspaneler, i jämförelse, har vanligtvis en total energieffektivitet på runt 15 procent. Dock, uppfinnarna av solånga sa att de förväntar sig att den första användningen av den nya tekniken inte kommer att vara för elproduktion utan snarare för sanitet och vattenrening i utvecklingsländer.

"Det här handlar om mycket mer än el, " sa LANP-chefen Naomi Halas, huvudforskaren i projektet. "Med denna teknik, vi börjar tänka på solenergi på ett helt annat sätt."

Effektiviteten hos solångan beror på de ljusfångande nanopartiklarna som omvandlar solljus till värme. När den är nedsänkt i vatten och utsätts för solljus, partiklarna värms upp så snabbt att de omedelbart förångar vatten och skapar ånga. Halas sa att solångans totala energieffektivitet förmodligen kan ökas i takt med att tekniken förfinas.

"Vi går från att värma vatten på makroskalan till att värma det på nanoskala, ", sa Halas. "Våra partiklar är mycket små - till och med mindre än en våglängd av ljus - vilket betyder att de har en extremt liten yta för att avleda värme. Denna intensiva uppvärmning gör att vi kan generera ånga lokalt, precis vid ytan av partikeln, och tanken på att generera ånga lokalt är verkligen kontraintuitiv."

För att visa hur kontraintuitivt, Rice-studenten Oara Neumann filmade en solångdemonstration där ett provrör med vatten innehållande ljusaktiverade nanopartiklar sänktes ned i ett bad med isvatten. Använda en lins för att koncentrera solljuset på den nära frysande blandningen i röret, Neumann visade att hon kunde skapa ånga från nästan fruset vatten.

Ånga är en av världens mest använda industrivätskor. Cirka 90 procent av elen produceras av ånga, och ånga används också för att sterilisera medicinskt avfall och kirurgiska instrument, för att laga mat och att rena vatten.

Det mesta av industriell ånga produceras i stora pannor, och Halas sa att solångans effektivitet kan göra det möjligt för ånga att bli ekonomisk i mycket mindre skala.

Människor i utvecklingsländer kommer att vara bland de första att se fördelarna med solånga. Rice engineering studenter har redan skapat en solenergi ångdriven autoklav som är kapabel att sterilisera medicinska och dentala instrument på kliniker som saknar elektricitet. Halas vann också ett Grand Challenges-anslag från Bill and Melinda Gates Foundation för att skapa ett ultrasmåskaligt system för att behandla mänskligt avfall i områden utan avloppssystem eller elektricitet.

"Solånga är anmärkningsvärt på grund av dess effektivitet, sade Neumann, huvudförfattaren på tidningen. "Det kräver inte tunnland speglar eller solpaneler. Faktum är att fotavtrycket kan vara mycket litet. Till exempel, ljusfönstret i vår demonstrationsautoklav var bara några kvadratcentimeter."

En annan potentiell användning kan vara att driva hybrida luftkonditionerings- och värmesystem som drivs av solljus på dagen och el på natten. Halas, Neumann och kollegor har också genomfört destillationsexperiment och funnit att solånga är ungefär två och en halv gånger effektivare än befintliga destillationskolonner.

Halas, Stanley C. Moore professor i elektro- och datateknik, professor i fysik, professor i kemi och professor i biomedicinsk teknik, är en av världens mest citerade kemister. Hennes labb är specialiserat på att skapa och studera ljusaktiverade partiklar. En av hennes skapelser, guld nanoskal, är föremål för flera kliniska prövningar för cancerbehandling.

För cancerbehandlingsteknologin och många andra applikationer, Halas team väljer partiklar som interagerar med bara några våglängder av ljus. För solångprojektet, Halas och Neumann bestämde sig för att designa en partikel som skulle interagera med bredast möjliga spektrum av solljusenergi. Deras nya nanopartiklar aktiveras av både synligt solljus och kortare våglängder som människor inte kan se.

"Vi ändrar inte någon av termodynamikens lagar, " sa Halas. "Vi kokar bara vatten på ett radikalt annorlunda sätt."