Les nanoparticules produisent de la vapeur sans faire bouillir l'eau

La vapeur est un ingrédient clé dans un large éventail de processus industriels et commerciaux, notamment la production d'électricité, la purification de l'eau, la distillation d'alcool et la stérilisation des équipements médicaux.

Cependant, la production de cette vapeur nécessite généralement de grandes quantités d'énergie pour chauffer et éventuellement faire bouillir de l'eau ou un autre fluide. Maintenant, des chercheurs de l'Université Rice ont trouvé un raccourci. En utilisant des nanoparticules absorbant la lumière en suspension dans l'eau, le groupe a pu transformer les molécules d'eau entourant les nanoparticules en vapeur tout en augmentant à peine la température de l'eau restante. L'astuce pourrait réduire considérablement le coût de nombreux processus dépendant de la vapeur.

L'équipe Rice a utilisé une lentille de Fresnel pour focaliser la lumière du soleil sur un petit tube d'eau contenant de fortes concentrations de nanoparticules en suspension dans le fluide. L'eau, qui avait été refroidie jusqu'au point de congélation, a commencé à générer de la vapeur en cinq à 20 secondes, selon le type de nanoparticules utilisées. Les changements de température, de pression et de masse ont révélé que 82 pour cent de la lumière solaire absorbée par les nanoparticules allait directement à la production de vapeur, tandis que seulement 18 pour cent allaient au chauffage de l'eau.

C'est une nouvelle façon de produire de la vapeur sans faire bouillir d'eau, explique Naomi Halas, directrice du Laboratoire de nanophotonique de l'Université Rice. Halas dit que le travail ouvre de nombreuses portes intéressantes en termes d'utilisation de la vapeur.

La nouvelle technique pourrait, par exemple, conduire à des dispositifs de génération de vapeur peu coûteux pour la purification de l'eau à petite échelle, la stérilisation des instruments médicaux et le traitement des eaux usées dans les pays en développement disposant de ressources et d'infrastructures limitées.

L'utilisation de nanoparticules pour augmenter le transfert de chaleur dans l'eau et d'autres fluides a été bien étudiée, mais peu de chercheurs ont envisagé d'utiliser les particules pour absorber la lumière et générer de la vapeur.

Dans la présente étude, Halas et ses collègues ont utilisé des nanoparticules optimisées pour absorber le spectre le plus large possible de la lumière solaire. Lorsque la lumière frappe les particules, leur température monte rapidement bien au-dessus de 100 °C, le point d'ébullition de l'eau, provoquant la vaporisation des molécules d'eau environnantes.

La manière précise dont les particules et les molécules d'eau interagissent reste un mystère. Les modèles de transfert de chaleur conventionnels suggèrent que la lumière solaire absorbée devrait se dissiper dans le fluide environnant avant de faire bouillir l'eau. Il semble y avoir une barrière thermique à l'échelle nanométrique, car elle produit clairement de la vapeur comme un fou, dit Halas.

Le système conçu par Halas et ses collègues a montré une efficacité de 24 % dans la conversion de la lumière solaire en vapeur.

Todd Otanicar, ingénieur en mécanique à l'Université de Tulsa qui n'a pas été impliqué dans l'étude actuelle, affirme que les résultats pourraient avoir des implications importantes pour la production d'énergie solaire thermique à grande échelle. Les centrales solaires thermiques utilisent généralement la lumière solaire concentrée pour chauffer un fluide tel que le pétrole, qui est ensuite utilisé pour chauffer l'eau afin de générer de la vapeur. Otanicar estime qu'en générant de la vapeur directement avec des nanoparticules dans l'eau, un tel système pourrait voir une efficacité accrue de 3 à 5 % et des économies de 10 % car une conception moins complexe pourrait être utilisée.

Otanicar prévient que la durabilité - la capacité des nanoparticules à absorber de manière répétée la lumière du soleil et à générer de la vapeur - doit encore être prouvée, mais ajoute que l'efficacité de 24% atteinte dans la présente étude est encourageante. Ce n'est qu'un début pour optimiser cette approche, dit-il.

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