De flesta av världens elproducerande kraftverk – oavsett om de drivs av kol, naturgas, eller kärnklyvning – gör elektricitet genom att generera ånga som gör en turbin. Den ångan kondenseras sedan tillbaka till vatten, och cykeln börjar igen.

Men kondensorerna som samlar upp ångan är ganska ineffektiva, och att förbättra dem kan göra stor skillnad i kraftverkens totala effektivitet.

Nu, ett team av forskare vid MIT har utvecklat ett sätt att belägga dessa kondensatorytor med ett lager av grafen, bara en atom tjock, och fann att detta kan förbättra värmeöverföringshastigheten med en faktor fyra – och potentiellt ännu mer än så, med fortsatt arbete. Och till skillnad från polymerbeläggningar, grafenbeläggningarna har visat sig vara mycket hållbara i laboratorietester.

Fynden redovisas i tidskriften Nanobokstäver av MIT doktorand Daniel Preston, professorerna Evelyn Wang och Jing Kong, och två andra. Förbättringen av kondensorns värmeöverföring, som bara är ett steg i kraftproduktionscykeln, kan leda till en total förbättring av kraftverkseffektiviteten på 2 till 3 procent baserat på siffror från Electric Power Research Institute, Preston säger – tillräckligt för att göra en betydande nedbrytning av de globala koldioxidutsläppen, eftersom sådana anläggningar representerar den stora majoriteten av världens elproduktion. "Det översätts till miljontals dollar per kraftverk och år, " han förklarar.

Det finns två grundläggande sätt på vilka kondensorerna - som kan ha formen av lindade metallrör, ofta gjorda av koppar - interagerar med strömmen av ånga. I vissa fall, ångan kondenserar för att bilda ett tunt vattenskikt som täcker ytan; i andra bildar den vattendroppar som dras från ytan av gravitationen.

När ångan bildar en film, Preston förklarar, som hindrar värmeöverföringen - och därmed minskar effektiviteten - av kondens. Så målet med mycket forskning har varit att förbättra droppbildningen på dessa ytor genom att göra dem vattenavvisande.

Ofta har detta åstadkommits med polymerbeläggningar, men dessa tenderar att försämras snabbt i den höga värmen och luftfuktigheten i ett kraftverk. Och när beläggningarna görs tjockare för att minska den nedbrytningen, själva beläggningarna hindrar värmeöverföringen.

"Vi trodde att grafen kunde vara användbart, "Preston säger, "eftersom vi vet att det är hydrofobt av naturen." Så han och hans kollegor bestämde sig för att testa både grafenens förmåga att sprida vatten, och dess hållbarhet, under typiska kraftverksförhållanden - en miljö av ren vattenånga vid 100 grader Celsius.

De fann att den enatomtjocka beläggningen av grafen verkligen förbättrade värmeöverföringen fyrfaldigt jämfört med ytor där kondensatet bildar vattenskikt, såsom rena metaller. Ytterligare beräkningar visade att optimering av temperaturskillnader kunde öka denna förbättring till 5 till 7 gånger. Forskarna visade också att efter två hela veckor under sådana förhållanden, det fanns ingen mätbar försämring av grafenens prestanda.

Som jämförelse, liknande tester med en vanlig vattenavvisande beläggning visade att beläggningen började brytas ned inom bara tre timmar, Preston säger, och misslyckades helt inom 12 timmar.

Eftersom processen som används för att belägga grafenen på kopparytan - kallad kemisk ångavsättning - har testats omfattande, den nya metoden kan vara redo för testning under verkliga förhållanden "på så lite som ett år, ", säger Preston. Och processen bör vara lätt skalbar till kondensorspolar i kraftverksstorlek.

"Detta arbete är oerhört betydelsefullt eftersom, såvitt jag vet, det är den första rapporten om hållbar droppvis kondensering med en ytbeläggning i ett lager, " säger Jonathan Boreyko, en biträdande professor i biomedicinsk teknik och mekanik vid Virginia Tech som har studerat kondensation på superhydrofob yta. "Dessa fynd är något överraskande och mycket spännande."

Boreyko, som inte var involverad i forskningen, tillägger att denna metod, om det bevisas genom ytterligare tester, "kan avsevärt förbättra effektiviteten hos kraftverk och andra system som använder kondensorer."

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.