Предложен принципиально новый метод использования солнечной энергии

Предложен принципиально новый метод использования солнечной энергии

 Александр Березин

Учёные из Лаборатории нанофотоники Университета Райса «образовали» пар из воды при атмосферном давлении и температуре, близкой к точке замерзания. Как к этому относится термодинамика? Нет, старушка ещё жива, но…

Ключевым в достижении оказалось использование взвесей из наночастиц, способных эффективно поглощать, почти не отражая, солнечное излучение. Поскольку площадь их контакта с окружающей водой крайне невелика, нормально охладиться они не могут, а потому перегревают воду рядом с собой. Кроме того, размеры этих наночастиц меньше, чем длина волны ИК-излучения, что делает весьма затруднительным переизлучение полученной энергии, в итоге почти полностью преобразуемой в тепло на крошечной поверхности частицы. Начало парообразования дополнительно ухудшает отвод тепла и стимулирует образование пара из воды, которая при нормальных обстоятельствах уже начала бы замерзать.

Как можно наблюдать, даже в воде из мешка со льдом пар образуется с интенсивностью, сравнимой с ситуацией в кипящем чайнике.

Даже в ледяной воде поверхность наночастиц может нагреваться до температур значительно выше точки кипения, гарантируя бурное испарение под действием солнечного света. (Здесь и ниже илл. J. Fitlow / Rice University.)

Нет нужды описывать многочисленные практические применения испарения холодной воды с помощью обычного дневного света. Самое главное: пар можно использовать не только для производства энергии, как это делается сегодня в большой энергетике (и даже тогда КПД заявляется равным 24%, что выше, чем у массовых фотоэлементов, доминирующих на рынке), но и в системах охлаждения зданий (холодный пар конденсируется в воду, охлаждая помещение) или опреснения морской воды.

Поскольку и металлические, и углеродные наночастицы практически не расходуются, метод ещё и предельно дёшев. По сути, он не требует ничего, кроме стекла для ёмкости с кипящей, но прохладной водой, самой воды и небольшого количества «вечных» наночастиц. Пока в качестве демонстрационного применения на этом принципе сделан гелиоавтоклав, в котором вода в смеси с этанолом испаряется, и полученный пар эффективно обрабатывает медицинские инструменты. Аппарат не требует электропитания, что позволяет разработчикам во главе с Наоми Халас надеяться на его внедрение в странах третьего мира, где больницы имеют проблемы с энергоснабжением.

Экспериментальный гелиоавтоклав чрезвычайно прост и может быть собран в любой стране третьего мира. Если, конечно, там найдутся наночастицы.

Отдельно отметим, что, по подсчётам разработчиков, от 80 до 90% энергии солнечного излучения в их установке преобразуется в пар, а это эффективность, которая значительно превышает иные методы превращения солнечной энергии. Поэтому окошечко автоклава имеет площадь всего в несколько квадратных сантиметров — и тем не менее аппарат эффективно обеззараживает хирургические инструменты.

В связи с этим при использовании подхода для дистилляции процесс будет в 2,5 раза более энергоэффективным, чем сейчас, — не говоря уже о том, что солнечный свет и вовсе бесплатен. Словом, для множества приморских стран с засушливым и пустынным климатом представленная технология может стать панацеей.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале ACS Nano (доступен полный текст).

Подготовлено по материалам Phys.Org.