Um sistema de dessalinização completamente passivo movido a energia solar desenvolvido por pesquisadores do MIT e na China poderia fornecer mais de 1,5 galão de água potável por hora para cada metro quadrado de área de coleta solar. Esses sistemas poderiam servir áreas costeiras áridas fora da rede para fornecer uma fonte de água eficiente e de baixo custo.

O sistema utiliza várias camadas de evaporadores e condensadores solares planos, alinhados em uma matriz vertical e cobertos com isolamento transparente de aerogel. É descrito em um artigo publicado hoje na revista Energy and Environmental Science , de autoria dos estudantes de doutorado do MIT Lenan Zhang e Lin Zhao, pós-doutorado Zhenyuan Xu, professor de engenharia mecânica e chefe de departamento Evelyn Wang, e outros oito no MIT e em Shanghai Jiao Universidade de Tong na China.

A chave para a eficiência do sistema está na maneira como ele usa cada um dos vários estágios para dessalinizar a água. Em cada estágio, o calor liberado pelo estágio anterior é aproveitado em vez de desperdiçado. Dessa forma, o dispositivo de demonstração da equipe pode alcançar uma eficiência geral de 385% na conversão da energia da luz solar em energia de evaporação da água.

O dispositivo é essencialmente um imóvel solar multicamada, com um conjunto de componentes de evaporação e condensação como os usados ​​para destilar bebidas alcoólicas. Ele usa telas planas para absorver o calor e depois transfere esse calor para uma camada de água para que comece a evaporar. O vapor então condensa no próximo painel. Essa água é coletada, enquanto o calor da condensação do vapor é passado para a próxima camada.

Sempre que o vapor se condensa na superfície, ele libera calor; em sistemas típicos de condensador, esse calor é simplesmente perdido para o meio ambiente. Mas neste evaporador multicamada, o calor liberado flui para a próxima camada de evaporação, reciclando o calor solar e aumentando a eficiência geral.

“Quando você condensa a água, libera energia como calor”, diz Wang. “Se você tiver mais de um estágio, poderá aproveitar esse calor .”

Adicionar mais camadas aumenta a eficiência da conversão para a produção de água potável, mas cada camada também adiciona custo e volume ao sistema. A equipe adotou um sistema de 10 etapas para o seu dispositivo de prova de conceito, que foi testado em um telhado do prédio do MIT. O sistema fornecia água pura que excedia os padrões de água potável da cidade, a uma taxa de 5,78 litros por metro quadrado (cerca de 1,52 galão por 11 pés quadrados) de área de coleta solar. Isso é mais do que o dobro da quantidade recorde produzida anteriormente por qualquer sistema passivo de dessalinização a energia solar , diz Wang.

Dessalinização simples da água com energia solar
O diagrama ilustra a estrutura básica do sistema de dessalinização proposto. A luz solar passa por uma camada isolante transparente à esquerda, para aquecer um material absorvente de calor preto, que transfere o calor para uma camada de material absorvente (mostrado em azul), onde evapora e se condensa em uma superfície (cinza) e, em seguida, escorre para ser coletada como água potável e fresca. Crédito: Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Teoricamente, com mais estágios de dessalinização e otimização adicional, esses sistemas podem atingir níveis de eficiência geral de 700 ou 800%, diz Zhang.

Ao contrário de alguns sistemas de dessalinização, não há acúmulo de sal ou salmoura concentrada a ser descartada. Em uma configuração de flutuação livre, qualquer sal que se acumule durante o dia seria simplesmente transportado de volta à noite através do material absorvente e retornando à água do mar, segundo os pesquisadores.

Sua unidade de demonstração foi construída principalmente a partir de materiais baratos e facilmente disponíveis, como um absorvedor solar preto comercial e toalhas de papel para um pavio capilar, para levar a água ao contato com o absorvedor solar. Na maioria das outras tentativas de criar sistemas passivos de dessalinização solar, o material absorvedor solar e o material absorvente são um componente único, o que requer materiais especializados e caros, diz Wang. “Conseguimos separar esses dois.”

O componente mais caro do protótipo é uma camada de aerogel transparente usada como isolante no topo da pilha, mas a equipe sugere que outros isoladores menos caros possam ser usados ​​como alternativa. (O próprio aerogel é feito de sílica barata, mas requer equipamento de secagem especializado para sua fabricação.)

Wang enfatiza que a principal contribuição da equipe é uma estrutura para entender como otimizar esses sistemas passivos de vários estágios, que eles chamam de dessalinização de vários estágios localizada termicamente. As fórmulas que eles desenvolveram provavelmente poderiam ser aplicadas a uma variedade de arquiteturas de materiais e dispositivos, permitindo uma otimização adicional dos sistemas com base em diferentes escalas de operação ou condições e materiais locais.

Uma configuração possível seria painéis flutuantes em um corpo de água salgada, como um lago de represa. Estes poderiam constantemente e passivamente fornecer água fresca através de canos para a praia, desde que o sol brilhe todos os dias. Outros sistemas poderiam ser projetados para atender a uma única família, talvez usando uma tela plana em um grande tanque raso de água do mar que é bombeado ou transportado. A equipe estima que um sistema com uma área de coleta solar de aproximadamente 1 metro quadrado possa atender às necessidades diárias de água potável de uma pessoa. Na produção, eles acham que um sistema construído para atender às necessidades de uma família pode ser construído por cerca de US $ 100.

Os pesquisadores planejam novas experiências para continuar a otimizar a escolha de materiais e configurações e testar a durabilidade do sistema em condições realistas. Eles também trabalharão na tradução do design do dispositivo em escala de laboratório para algo que seja adequado para uso dos consumidores. A esperança é que, finalmente, possa desempenhar um papel no alívio da escassez de água em partes do mundo em desenvolvimento, onde a eletricidade confiável é escassa, mas a água do mar e a luz solar são abundantes.

“Essa nova abordagem é muito significativa”, diz Ravi Prasher, diretor de laboratório associado do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e professor adjunto de engenharia mecânica da Universidade da Califórnia em Berkeley, que não participou do trabalho. “Um dos desafios da dessalinização solar baseada em alambiques tem sido a baixa eficiência devido à perda de energia significativa na condensação. Ao coletar eficientemente a energia de condensação, a eficiência geral solar a vapor é dramaticamente aprimorada. … Esse aumento da eficiência terá uma eficiência geral. impacto na redução do custo da água produzida “.