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Ein Team von Wissenschaftlern aus der Universität Rice hat eine neue revolutionäre Technologie, die verwendet Nanopartikel aus Metall direkt Wasser in Dampf umwandeln, mit Sonnenenergie. Dieses neue "Solar-Steam" (Solardampf) ist die Methode, die vom Labor in Rice für Nanofototonika (LANP) und ist so effektiv, dass es sogar Herstellung von eisigem Wasserdampf.

Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden veröffentlicht in "ACS Nano", Magazin der American Chemical Society.

Energieeffizienz für die Wasserreinigung

Diese Technologie hat eine Gesamtenergieeffizienz von 24 Prozent. Im Vergleich dazu haben Photovoltaikmodule in der Regel eine Gesamtenergieeffizienz von etwa 15 Prozent. Die Erfinder der Solaranlage erwarten jedoch, daß die ersten Anwendungen dieses neuen Systems nicht für die Stromerzeugung, sondern für die Stromerzeugung bestimmt sind. Wasserversorgung und Abwasserentsorgung in den Entwicklungsländern.

"Es geht um viel mehr als um Elektrizität," sagte Direktor LANP Naomi Halas, der führende Wissenschaftler des Projekts. "Mit dieser Technologie fangen wir an, an die thermische Solarenergie auf eine ganz andere Weise zu denken." und hoffen, dass sie ihre Systemeffizienz verbessern wird, wenn die Technologie verbessert wird.

Die Effizienz des Sonnendampfes ist auf Nanopartikel zurückzuführen, die Sonnenlicht in Wärme umwandeln. Durch das Eintauchen ins Wasser und die Exposition gegenüber Sonnenlicht werden die Partikel so schnell erwärmt, dass das Wasser verdampft und Dampf erzeugt wird, auch aus fast eisigem Wasser.

Die verwendeten Nanopartikel sind sehr klein - sogar kleiner als die Wellenlänge des Lichts - Das heißt, sie haben eine extrem kleine Oberfläche, um die Hitze zu zerstreuen. Diese intensive Erwärmung ermöglicht die Erzeugung von Dampf auf lokaler Ebene, wie auf der Oberfläche des Teilchens.

Die vom Licht beleuchteten Nanopartikel können schnell auf Temperaturen über 100 °C ansteigen, der Siedepunkt des Wassers. Der Dampf bildet sich um die Oberfläche jedes Nanopartikels, von denen Milliarden in Wasser oder andere Flüssigkeiten umgewandelt werden können, und schließlich entgeht der Dampf dem Teilchen, bildet Nanobläschen, die an der Oberfläche schweben und wie Wasserdampf, Ethanoldampf bei der Destillation von Alkohol aus Getränken oder Kraftstoff oder anderen Dämpfen entweichen.

Mögliche künftige Entwicklungen der Technologie

Diese Fähigkeit zur Wärmeerzeugung hat das Interesse der Wissenschaftler an der Verwendung von Nanopartikeln für verschiedene Anwendungen, wie z. B. die photothermische Behandlung bestimmter Krebsformen, mit der Freisetzung des Arzneimittels durch Laser oder verbessertes Biobild von Nanopartikel, gefördert.

Dampf ist einer der am häufigsten verwendeten Industrieflüssigkeiten der Welt. Etwa 90 Prozent der Elektrizität wird aus Dampf produziert. Andere Anwendungen des Dampfs sind die Sterilisation von medizinischen Abfällen und chirurgischen Instrumenten, die Zubereitung von Lebensmitteln und die Reinigung von Wasser usw. Anwendungen mit Potenzial für die Entwicklung dieser Technologie.

Der größte Teil des industriellen Dampfs wird in großen Kesseln erzeugt, und die Effizienz des Solardampfsystems könnte zu einer Senkung der Erzeugungskosten dieses Dampfes führen.

Die Entwicklungsländer könnten die ersten sein, die die Vorteile von Solardampf erkennen. Ingenieursforscher an der Rice University haben bereits ein System auf der Grundlage dieser Entwicklung entwickelt, um in Autoklaven damit medizinische und zahnärztliche Instrumente in stromfreien Kliniken sterilisiert werden können.

Laut Neuman, dem wichtigsten Mitautor des Artikels, hat diese Technologie bei erneuerbaren Projekten für die Stromerzeugung den Vorteil, dass "Sie keine Hektar von Spiegeln oder Solarpaneelen benötigt."

Ein weiterer möglicher Einsatz könnte die Entwicklung neuer Destillationssysteme sein, die effizienter sind als die derzeitigen, daDie verwendete Lösung, die Siliziumdioxid mit goldenen Nanopartikeln und anderen Kohlenstoff-Nanopartikeln enthielt, begann innerhalb von 5 bis 20 Sekunden, nachdem das Sonnenlicht auf diese Lösungen leuchtete, Dampf zu erzeugen.

Die goldene Nanopartikellösung produzierte Dampf in kleinen "mikroexplosiven" Bläschen, so dass die Wissenschaftler diese Nanopartikel zur Destillierung von Wasseralkohol und zu höheren Alkoholerträgen verwendeten, als sie durch das Siede der Lösung hergestellt worden wären. 82 Prozent des von den Nanopartikeln absorbierten Sonnenlichts erzeugte direkt Dampf.

Autor und Mitautor der Studie

Naomi HalosEr ist Professor für Elektro- und Computertechnik, Professor für Physik, Professor für Chemie und Professor für Biomedizin und einer der am häufigsten zitierten Chemikalien der Welt. Ihr Labor ist spezialisiert auf die Erstellung und Untersuchung von Partikel-aktiviertem Licht.  In seinen Arbeiten ist eine mit der Schaffung von goldenen Nanokapseln, die das Thema mehrerer klinischer Studien zur Behandlung von Krebs ist verbunden.


Halas gewann auch ein Stipendium der Bill und Melinda Gates Foundation für die Behandlung menschlicher Abfälle in Gebieten ohne Kanalisation und ohne Strom.

Mitautor: Jared Day, Studentin; Urban Alexander, postdoktorieller Forscher; Lal Surbhi, Forscher und Geschäftsführer LANP und Nordlander Peter, Professor für Physik und Astronomie sowie für Elektrotechnik und Informatik.

Die Forschung wurde von der Welch und Bill Foundation und Melinda Gates unterstützt.

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