I laser registrano un modo semplice per affrontare la crisi idrica globale
Tra la pandemia di coronavirus, le persone nei paesi sviluppati sono assicurate da un ampio apporto di acqua pulita per lavarsi le mani abbastanza spesso da proteggersi dalla malattia.
Eppure, quasi un terzo della popolazione mondiale non ha nemmeno acqua potabile.
I ricercatori dell’Università di Rochester hanno trovato il modo di affrontare questo problema usando la luce solare, una risorsa a cui tutti possono accedere, per evaporare e purificare l’acqua contaminata con un’efficienza superiore al 100 percento.
Com’è possibile?
In un articolo su Nature Sustainability, i ricercatori del laboratorio di Chunlei Guo, professore di ottica, dimostrano come uno scoppio di impulsi laser a femtosecondi incide la superficie di un normale foglio di alluminio in un materiale ad assorbimento di energia super assorbente (che attira l’acqua ).
Quando posto in acqua con un angolo rivolto verso il sole, la superficie:
• Disegnare un sottile strato di acqua verso l’alto sulla superficie del metallo
• Mantiene quasi il 100 percento dell’energia che assorbe dal sole per riscaldare rapidamente l’acqua
• Allo stesso tempo, modifica i legami intermolecolari dell’acqua, aumentando significativamente ulteriormente l’efficienza del processo di evaporazione.
“Queste tre cose insieme consentono alla tecnologia di funzionare meglio di un dispositivo ideale con un’efficienza del 100 percento”, afferma Guo, che è anche affiliato ai programmi di Fisica e Scienza dei materiali dell’Università.
“Questo è un modo semplice, duraturo ed economico per affrontare la crisi idrica globale, specialmente nei paesi in via di sviluppo”.
Esperimenti di laboratorio dimostrano che il metodo riduce la presenza di tutti i comuni contaminanti, come detergenti, coloranti, urina, metalli pesanti e glicerina, a livelli sicuri da bere.
La tecnologia potrebbe anche essere utile nei paesi sviluppati per alleviare la carenza idrica nelle aree colpite dalla siccità e per i progetti di dissalazione dell’acqua, afferma Guo.
Facile da pulire, facile da colpire
L’uso della luce solare per l’ebollizione è stato a lungo riconosciuto come un modo per eliminare i patogeni microbici e ridurre i decessi per infezioni da diarrea.
Ma l’acqua bollente non rimuove i metalli pesanti e altri contaminanti.
Tuttavia, la depurazione dell’acqua a base solare può ridurre notevolmente questi contaminanti poiché quasi tutte le impurità vengono lasciate indietro quando l’acqua di evaporazione diventa gassosa e quindi si condensa e si raccoglie.
Il metodo più comune di evaporazione dell’acqua a base solare è il riscaldamento a volume, in cui viene riscaldato un grande volume di acqua, ma solo lo strato superiore può evaporare.
Ovviamente, questo è inefficiente, dice Guo, perché viene utilizzata solo una piccola parte dell’energia di riscaldamento.
Un approccio più efficiente, chiamato riscaldamento interfacciale, pone materiali assorbenti galleggianti, assorbenti e multistrato sopra l’acqua, in modo che solo l’acqua vicino alla superficie debba essere riscaldata.
Ma tutti i materiali disponibili devono galleggiare orizzontalmente sull’acqua e non possono guardare direttamente il sole, dice Guo.
Pertanto, l’approccio è meno efficiente dal punto di vista energetico. Inoltre, i materiali assorbenti disponibili si intasano rapidamente con i contaminanti rimasti dopo l’evaporazione, che richiedono una frequente sostituzione dei materiali.
Il pannello sviluppato dal laboratorio Guo evita queste inefficienze rimuovendo un sottile strato di acqua dal serbatoio e direttamente sulla superficie dell’assorbitore solare per il riscaldamento e l’evaporazione.
“Inoltre, poiché utilizziamo una superficie con scanalature aperte, è molto facile da pulire semplicemente spruzzandolo. Il più grande vantaggio “, aggiunge,” è che l’angolo dei pannelli può essere continuamente regolato per affrontare direttamente il sole mentre sorge e quindi muoversi attraverso il cielo prima del tramonto, “massimizzando l’assorbimento di energia”. Non c’era nient’altro come quello che possiamo fare qui “.
Chunlei Guo, Professore, Dipartimento di ottica, Università di Rochester.
L’ultima della serie di app
Il progetto è stato sostenuto da fondi della Bill and Melinda Gates Foundation, della National Science Foundation e dell’U.S. Army Research Office.
“L’esercito e i suoi guerrieri corrono sull’acqua, quindi c’è un interesse particolare nella ricerca di materiali di base che potrebbe portare a tecnologie avanzate per generare acqua pulita”, ha affermato Evan Runnerstrom, responsabile del programma, Army Research Office, un elemento delle capacità di combattimento del US Research Development Army Army Laboratory Laboratory.
“Le proprietà di assorbimento della luce e super-deformazione di queste superfici in alluminio possono consentire la depurazione dell’acqua passiva o a bassa potenza per supportare meglio il guerriero sul campo.”
Oltre a utilizzare la tecnologia dell’incisione laser al femto-secondo per creare metalli superidrofobici (idrorepellenti), superidrofili (che attraggono l’acqua) e che assorbono super energia, Guo Lab ha creato strutture metalliche che non affondano, non importa quanto spesso vi viene forzata l’acqua o quanto viene danneggiato o forato.
Prima di creare il metallo che attira e respinge l’acqua, Guo e il suo assistente, Anatoliy Vorobyev, hanno dimostrato l’uso di impulsi laser al femto-secondo per convertire quasi ogni sfumatura di metallo nero.
Le strutture superficiali create nel metallo erano incredibilmente efficaci nel catturare le radiazioni in arrivo, come la luce. Ma hanno anche catturato la luce su una vasta gamma di lunghezze d’onda.
Successivamente, il suo team ha utilizzato un processo simile per cambiare il colore di una gamma di metalli in vari colori, come blu, oro e grigio.
Le applicazioni potrebbero includere la produzione di filtri colorati e dispositivi ottici spettrali, utilizzando un singolo laser in una fabbrica di automobili per produrre automobili di diversi colori; o proponendo un anello di fidanzamento in oro che si abbina al colore degli occhi blu della tua fidanzata.
Il laboratorio ha anche utilizzato la tecnica del colore iniziale e del metallo nero per creare una serie unica di strutture nano e microscale sulla superficie di un normale filamento di tungsteno, consentendo a una lampadina di brillare più brillante con lo stesso uso di energia.
