Подход на основе солнечной энергии, разработанный в Университете Райса и предназначенный для очистки соленой воды с помощью солнечного света и наночастиц, оказался даже более эффективным, чем полагали его создатели.
Исследователи из Лаборатории нанофотоники Райса (LANP) на этой неделе продемонстрировали, что они могут повысить эффективность своей системы опреснения на солнечной энергии более чем на 50 процентов, просто добавив недорогие пластиковые линзы для концентрации солнечного света в «горячих точках». Соответствующая работа была опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Классический способ повысить производительность в системах, работающих на солнечной энергии – это добавить солнечные концентраторы для увеличения количества света», – отмечает Пратикша Донгаре, аспирант по прикладной физике в Технической школе Брауна и соавтор статьи. «Основная разница здесь заключается в том, что мы используем одинаковое количество света. Мы показали, что можно перераспределить эту мощность и значительно увеличить скорость производства очищенной воды, затратив при этом минимум средств».
При обычной мембранной дистилляции горячая соленая вода протекает через одну сторону листообразной мембраны, а холодная фильтрованная вода течет через другую. Разные температуры создают разницу в давлении пара, которая направляет водяной пар с нагретой стороны к более холодной с менее высоким давлением через мембрану. Расширение технологии затруднено, потому что разность температур на мембране – и, как результат, выход чистой воды – уменьшается с увеличением размера мембраны. Технология Райса – «нанофотоническая перегонка солнечной мембраны» (NESMD) – решает эту проблему путем использования поглощающих свет наночастиц, которые превращают саму мембрану в нагревательный элемент на солнечной энергии.
Донгаре и ее коллеги, включая соавтора исследования Алессандро Алабастри, покрывают верхний слой своих мембран недорогими и коммерчески доступными наночастицами, которые предназначены для преобразования более 80 процентов солнечной энергии в тепло. Нагревание наночастиц на основе солнечной энергии снижает производственные затраты, и инженеры Райса работают над расширением технологии для ее применения в отдаленных районах, которые не имеют доступа к электричеству.
Концепция и частицы, используемые в NESMD, были впервые продемонстрированы в 2012 году директором LANP Наоми Халас и ученым Оарой Нойманн, которые являются соавторами нового исследования. В научной работе, опубликованной на этой неделе, Халас, Донгаре, Алабастри, Нейман и физик Питер Нордландер обнаружили, что они могут использовать врожденную и ранее неизвестную нелинейную связь между интенсивностью падающего света и давлением паров.
Алабастри использовал простой математический пример, чтобы описать разницу между линейными и нелинейными отношениями. «Если вы возьмете любые два числа, равные 10 – семь и три, пять и пять, шесть и четыре, то вы всегда получите 10, если сложите их вместе. Но если процесс нелинейный, то вы можете возвести их в квадрат или даже в куб перед суммированием. Таким образом, если у нас есть девять и один, то это будет девять в квадрате, или 81, плюс один в квадрате, что равно 82. Это намного лучше, чем 10».
В случае с NESMD, нелинейное улучшение происходит от концентрации солнечного света в крошечных пятнах. Сосредоточение света на крошечном пятне на мембране приводит к линейному увеличению нагрева, но тот, в свою очередь, приводит к нелинейному увеличению давления пара, а повышенное давление снижает время прохода очищенного пара через мембрану.
«Мы продемонстрировали, что всегда лучше иметь больше фотонов на меньшей площади, чем создавать однородное распределение фотонов по всей мембране», – добавил Алабастри.