„Hot Spots“ steigern die Effizienz von Solardesa

Ingenieure der Rice University steigern die Leistung des Solarentsalzungssystems um 50 %

Reisuniversität

Bild: Forscher der Rice University (von links) Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri und Oara Neumann zeigten, dass Rices „Nanophotonics-enabled Solar Membran Destillation“ (NESMD)-System effizienter war, wenn die Größe des Geräts vergrößert und das Licht in „konzentriert“ wurde. Hotspots.'mehr sehen

Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University

HOUSTON – (18. Juni 2019) – Der solarbetriebene Ansatz der Rice University zur Reinigung von Salzwasser mit Sonnenlicht und Nanopartikeln ist sogar noch effizienter, als seine Entwickler zunächst glaubten.

Forscher im Labor für Nanophotonik (LANP) von Rice haben diese Woche gezeigt, dass sie die Effizienz ihres solarbetriebenen Entsalzungssystems um mehr als 50 % steigern können, indem sie einfach kostengünstige Kunststofflinsen hinzufügen, um das Sonnenlicht auf „Hot Spots“ zu konzentrieren. Die Ergebnisse sind online in den Proceedings der National Academy of Sciences verfügbar.

„Der typische Weg, die Leistung solarbetriebener Systeme zu steigern, besteht darin, Solarkonzentratoren hinzuzufügen und mehr Licht hereinzubringen“, sagte Pratiksha Dongare, Doktorandin der angewandten Physik an der Brown School of Engineering von Rice und Co-Hauptautorin des Artikels. „Der große Unterschied besteht darin, dass wir die gleiche Lichtmenge verwenden. Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, diese Energie kostengünstig umzuverteilen und die Produktionsrate von gereinigtem Wasser drastisch zu steigern.“

Bei der herkömmlichen Membrandestillation wird heißes, salziges Wasser über eine Seite einer plattenförmigen Membran geleitet, während kühles, gefiltertes Wasser über die andere Seite fließt. Der Temperaturunterschied erzeugt einen Dampfdruckunterschied, der Wasserdampf von der beheizten Seite durch die Membran zur kühleren Seite mit niedrigerem Druck treibt. Eine Skalierung der Technologie ist schwierig, da der Temperaturunterschied über die Membran – und die daraus resultierende Produktion von sauberem Wasser – mit zunehmender Größe der Membran abnimmt. Rices „Nanophotonics-enabled Solar Membran Destillation“ (NESMD)-Technologie geht dieses Problem an, indem sie lichtabsorbierende Nanopartikel verwendet, um die Membran selbst in ein solarbetriebenes Heizelement zu verwandeln.

Dongare und Kollegen, darunter der Co-Hauptautor der Studie, Alessandro Alabastri, beschichten die oberste Schicht ihrer Membranen mit kostengünstigen, im Handel erhältlichen Nanopartikeln, die mehr als 80 % der Sonnenlichtenergie in Wärme umwandeln sollen. Die solarbetriebene Nanopartikelheizung senkt die Produktionskosten, und Rice-Ingenieure arbeiten daran, die Technologie für Anwendungen in abgelegenen Gebieten ohne Zugang zu Elektrizität zu erweitern.

Das in NESMD verwendete Konzept und die Partikel wurden erstmals 2012 von LANP-Direktorin Naomi Halas und der Forschungswissenschaftlerin Oara Neumann demonstriert, die beide Co-Autoren der neuen Studie sind. In der Studie dieser Woche fanden Halas, Dongare, Alabastri, Neumann und der LANP-Physiker Peter Nordlander heraus, dass sie eine inhärente und bisher unerkannte nichtlineare Beziehung zwischen der Intensität des einfallenden Lichts und dem Dampfdruck ausnutzen konnten.

Alabastri, Physiker und Forschungsassistent bei Texas Instruments an der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik von Rice, beschrieb anhand eines einfachen mathematischen Beispiels den Unterschied zwischen einer linearen und einer nichtlinearen Beziehung. „Wenn Sie zwei beliebige Zahlen nehmen, die 10 ergeben – sieben und drei, fünf und fünf, sechs und vier –, erhalten Sie immer 10, wenn Sie sie addieren. Wenn der Prozess jedoch nichtlinear ist, können Sie sie quadrieren oder sogar würfeln.“ Wenn wir also neun und eins haben, wäre das neun zum Quadrat oder 81 plus eins zum Quadrat, was 82 ergibt. Das ist weitaus besser als 10, was das Beste ist, was man mit einer linearen Beziehung erreichen kann.“

Im Fall von NESMD entsteht die nichtlineare Verbesserung durch die Konzentration des Sonnenlichts auf winzige Punkte, ähnlich wie es ein Kind an einem sonnigen Tag mit einer Lupe tun würde. Die Konzentration des Lichts auf einen winzigen Punkt auf der Membran führt zu einem linearen Anstieg der Wärme, aber die Erwärmung führt wiederum zu einem nichtlinearen Anstieg des Dampfdrucks. Und der erhöhte Druck drückt mehr gereinigten Dampf in kürzerer Zeit durch die Membran.

„Wir haben gezeigt, dass es immer besser ist, mehr Photonen auf einer kleineren Fläche zu haben, als eine homogene Photonenverteilung über die gesamte Membran zu haben“, sagte Alabastri.

Halas, ein Chemiker und Ingenieur, der mehr als 25 Jahre lang Pionierarbeit bei der Verwendung lichtaktivierter Nanomaterialien geleistet hat, sagte: „Die durch diesen nichtlinearen optischen Prozess erzielten Effizienzgewinne sind wichtig, da Wasserknappheit für etwa die Hälfte der Weltbevölkerung eine alltägliche Realität ist Eine effiziente Solardestillation könnte das ändern.

„Über die Wasserreinigung hinaus könnte dieser nichtlineare optische Effekt auch Technologien verbessern, die Solarheizung nutzen, um chemische Prozesse wie die Photokatalyse anzutreiben“, sagte Halas.

LANP entwickelt beispielsweise ein kupferbasiertes Nanopartikel zur Umwandlung von Ammoniak in Wasserstoffkraftstoff bei Umgebungsdruck.

Halas ist Stanley C. Moore-Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik, Direktor des Smalley-Curl Institute in Rice und Professor für Chemie, Bioingenieurwesen, Physik und Astronomie sowie Materialwissenschaften und Nanotechnik.

NESMD wird am in Rice ansässigen Center for Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) entwickelt und erhielt 2018 Forschungs- und Entwicklungsgelder aus dem Solar Desalination-Programm des Energieministeriums.

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Die Forschung wurde von der National Science Foundation (EEC-1449500), dem Air Force Office of Scientific Research (FA9550-15-1-0022), der Welch Foundation (C-1220, C-1222 und LC-0004) und dem unterstützt Das J. Evans Attwell-Welch Fellowship-Programm des Smalley-Curl Institute und das Peter M. and Ruth L. Nicholas Fellowship-Programm. Dongare, Alabastri, Neumann, Nordlander und Halas sind Miterfinder eines vorläufigen Patents im Zusammenhang mit der Forschung.

VIDEO gibt es unter:

https://youtu.be/z36jMKk-AdQ

Hochauflösende BILDER stehen zum Download bereit unter:

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-gp6-lg.jpg?CAPTION: Forscher der Rice University (von links) Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri und Oara Neumann zeigten, dass Rices „Nanophotonik Das NESMD-System (Enabled Solar Membran Destillation) war effizienter, wenn die Größe des Geräts vergrößert und das Licht an „Hot Spots“ konzentriert wurde. (Foto von Jeff Fitlow/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-mla1-lg.jpg?CAPTION: Forscher vom Labor für Nanophotonik der Rice University haben herausgefunden, dass sie die Effizienz ihres solarbetriebenen Entsalzungssystems steigern können um mehr als 50 % durch den Einsatz kostengünstiger Kunststofflinsen, um das Sonnenlicht auf „Hot Spots“ zu konzentrieren. (Foto von Pratiksha Dongare/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-mla4-lg.jpg?CAPTION: Die Konzentration des Sonnenlichts auf winzige Punkte auf der wärmeerzeugenden Membran nutzt einen inhärenten und bisher unerkannten nichtlinearen Zusammenhang zwischen photothermischer Erwärmung und Dampfdruck. (Foto von Pratiksha Dongare/Rice University)

https://news.rice.edu/files/2019/01/0114_SPIERS-Halas030-lg-1svkrsl.jpg?BILDUNTERSCHRIFT: Naomi Halas, Direktorin des Labors für Nanophotonik der Rice University, ist Ingenieurin und Chemikerin mit mehr als 25 Jahren Berufserfahrung Pionierarbeit bei der Verwendung lichtaktivierter Nanomaterialien. (Foto von Jeff Fitlow/Rice University)

Links und Ressourcen:

Der DOI des PNAS-Artikels lautet: 10.1073/pnas.1905311116

Eine Kopie des Papiers ist verfügbar unter: pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1905311116

George R. Brown School of Engineering: engineering.rice.edu

Graduiertenprogramm für angewandte Physik von Rice: Appliedphysics.rice.edu/

Rice Smalley-Curl Institut: sci.rice.edu

Naomi Halas: eceweb.rice.edu/naomi-halas

Rice-Abteilung für Elektrotechnik und Informationstechnik: ece.rice.edu

Verwandte Forschung von Rice:

DOE finanziert Feldtest der solaren Entsalzungstechnologie von Rice – 25. Juni 2018?https://news.rice.edu/2018/06/25/doe-funds-field-test-of-rices-solar-desalination-technology- 2/

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Rice stellt supereffiziente Solarenergietechnologie vor?https://news.rice.edu/2012/11/19/rice-unveils-super-efficient-solar-energy-technology/

Diese Pressemitteilung finden Sie online unter news.rice.edu.

Verfolgen Sie Rice News und Media Relations über Twitter @RiceUNews.

Die Rice University befindet sich auf einem 300 Hektar großen bewaldeten Campus in Houston und wird von US News & World Report regelmäßig zu den 20 besten Universitäten des Landes gezählt. Rice verfügt über hoch angesehene Fakultäten für Architektur, Wirtschaft, Weiterbildung, Ingenieurwesen, Geisteswissenschaften, Musik, Naturwissenschaften und Sozialwissenschaften und ist die Heimat des Baker Institute for Public Policy. Mit 3.962 Studenten im Grundstudium und 3.027 Studenten im Aufbaustudium liegt Rices Verhältnis von Studenten zu Fakultäten bei knapp 6 zu 1. Sein Wohnhochschulsystem baut enge Gemeinschaften und lebenslange Freundschaften auf, nur einer der Gründe, warum Rice im Princeton Review auf Platz 1 für viel Rassen-/Klasseninteraktion und auf Platz 2 für Lebensqualität steht. Rice wird auch von Kiplingers Personal Finance als beste Privatuniversität eingestuft.

Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften

10.1073/pnas.1905311116

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