Dezvoltat în Canada, un material fototermic, mai subțire decât un fir de păr, reușește să captează până la 90% din lumina solară și să o transforme direct în căldură. Fără consum de energie electrică, stratul inteligent poate fi folosit pentru purificarea apei, ferestre eficiente energetic și chiar producția de hidrogen.
La Varennes, în provincia Québec, o echipă de cercetători de la Institutul Național de Cercetare Științifică (INRS) a creat un material fototermic de ultimă generație, capabil să transforme lumina solară în căldură cu o eficiență fără precedent.
Descoperirea, publicată recent în revista Interesting Engineering, reprezintă o contribuție majoră în domeniul energiei solare și al materialelor nanostructurate.
Materialul creat de echipa din Quebec este un strat extrem de subțire, realizat dintr-o formă specială de oxid de titan (Ti4O7).
Această formă face parte dintr-o familie de compuși chimici cunoscută sub numele de „fazele Magnéli”, un grup de materiale apreciate pentru faptul că pot conduce electricitatea foarte bine, sunt stabile în medii chimice dure și pot accelera anumite reacții utile, cum ar fi cele pentru curățarea apei sau obținerea de energie.
Ce îl face diferit față de oxidul de titan obișnuit, folosit de exemplu în cremele de protecție solară sau în vopsele, este modul în care sunt așezate atomii în interior.
Materialul are mici „goluri” în rețeaua sa atomică, adică lipsește o parte din oxigen.
Tocmai aceste goluri îl fac mai reactiv și îl ajută să absoarbă mai bine lumina sau să participe mai eficient la reacții chimice, o calitate esențială în procesele care transformă lumina solară în căldură sau ajută la obținerea de hidrogen.
Depășind limitele metodelor clasice de sinteză
Timp de decenii, Ti4O7 a fost obținut prin metode clasice de reducere termică, sub formă de pulbere.
Dar aceste metode nu permiteau controlul fin asupra compoziției și morfologiei materialului și duceau adesea la amestecuri de faze, afectând atât puritatea, cât și conductivitatea dorită.
De regulă, pulberea era presată sub formă de pastile de mici dimensiuni, limitând aplicabilitatea practică.
„Aceste metode nu permit în general obținerea fazei pure de Ti4O7 și nici controlul fin al compoziției, morfologiei și nanostructurii,” explică Loick Pichon, doctorand la INRS.
„Aceste limitări reduc drastic accesul la potențialul real al materialului, mai ales în ceea ce privește conductivitatea electrică.”
Soluția: aplicarea materialului sub formă de strat subțire pe diverse suprafețe
Pentru a depăși aceste obstacole, echipa condusă de profesorul My Ali El Khakani, specialist în procese plasma-laser pentru dezvoltarea materialelor nanostructurate, a recurs la o tehnologie sofisticată: pulverizarea magnetron (sau RF-magnetron plasma).
Tehnica, frecvent utilizată în industria semiconductorilor, permite depunerea controlată a filmelor subțiri pe suporturi variate, de la plăci metalice la plachete de siliciu sau sticlă.
„Stratul de Ti4O7 obținut prin această metodă schimbă complet proprietățile de suprafață ale substratului, care poate fi de dimensiuni mari și de naturi diferite,” precizează profesorul El Khakani.
Stratul aplicat este mai subțire decât un fir de păr, dar are o eficiență remarcabilă: în testele de laborator, a reușit să absoarbă până la 90% din lumina solară, potrivit cercetătorilor.
Mai mult, oamenii de știință au stabilit pentru prima dată o relație directă între absorbția optică a acestor filme și eficiența lor fototermală.
„Rezultatele noastre stabilesc o relație liniară fundamentală între capacitatea de absorbție și conversia în căldură,”
subliniază profesorul El Khakani. Această legătură deschide calea către optimizarea filmelor pentru diverse aplicații, în funcție de cerințele specifice.
Aplicații promițătoare pentru tranziția verde
Fiind subțire, rezistent la coroziune și extrem de eficient în transformarea luminii în căldură, materialul oferă o platformă versatilă pentru tehnologii sustenabile.
Printre aplicațiile cele mai promițătoare se numără:
- Purificarea apei contaminate cu poluanți persistenți, cu ajutorul unor piese de înaltă performanță care conduc curentul în apă;
- Desalinizarea pasivă – un proces prin care apa sărată devine potabilă cu ajutorul luminii solare, fără aport de energie externă, spre deosebire de metodele actuale, precum osmoza inversă;
- Ferestre inteligente cu încălzire integrată, care pot contribui semnificativ la eficiența energetică a clădirilor;
- Producția de hidrogen și amoniac prin procese electrochimice curate, două domenii-cheie pentru economia Quebecului și pentru tranziția globală spre energie verde.
„Posibilitatea de a realiza acoperiri fototermale pe suprafețe de dimensiuni rezonabile este deosebit de utilă pentru aplicații de desalinizare pasivă, în care nu este disponibilă o sursă externă de energie”, adaugă profesorul El Khakani.
Această inovație confirmă potențialul uriaș al materialelor nanostructurate în tranziția energetică globală.
Prin integrarea unei tehnologii industriale consacrate (pulverizarea magnetron) cu un compus chimic cu proprietăți excepționale, cercetătorii de la INRS au deschis drumul către o nouă generație de soluții solare: mai eficiente, mai versatile și mai ușor de aplicat în lumea reală.
Dacă va fi validată la scară reală, această tehnologie fototermică ar putea fi integrată în contexte europene multiple
În regiunile sudice ale UE, precum Andaluzia sau Sicilia, unde valurile de căldură și seceta devin tot mai frecvente, tehnologia ar putea fi folosită pentru desalinizare pasivă și purificarea apei în comunități izolate, fără dependență de rețele electrice costisitoare.
În România, aplicațiile potențiale sunt multiple.
Clădirile publice din zonele rurale sau defavorizate, unde accesul la energie sau apă potabilă este limitat, ar putea beneficia de astfel de soluții solare pasive, în special în școli, dispensare și centre sociale.
Pe zona de cercetare și dezvoltare, tehnologia deschide posibilități pentru parteneriate între universitățile tehnice din România și institute europene.
De asemenea, poate fi preluată și testată de start-up-uri din domeniul energiei regenerabile, alături de mari actori industriali interesați de producția de hidrogen verde și ferestre inteligente pentru clădiri NZEB (nearly zero-energy buildings).
Cât de aproape suntem de folosirea reală?
Deși tehnologia promite mult, aplicabilitatea ei în afara laboratorului rămâne, pentru moment, în stadiu incipient.
Stratificarea materialului s-a realizat în condiții controlate, pe suprafețe experimentale, iar echipa de la INRS nu menționează încă existența unor prototipuri funcționale testate în medii reale.
Nu avem informații despre durabilitatea în timp a stratului, comportamentul în exterior, sub acțiunea umidității sau a temperaturilor extreme, ori despre costurile de producție la scară largă.
De asemenea, nu este clar dacă există deja colaborări industriale pentru dezvoltarea unor produse comerciale, cum ar fi ferestre inteligente sau echipamente pentru purificarea apei.
Ceea ce știm, însă, este că echipa de cercetare a stabilit o bază științifică solidă: a demonstrat eficiența absorbției luminii și conversiei în căldură și a validat o metodă de aplicare a materialului care poate fi scalabilă.
Următorul pas logic ar fi trecerea la faze de testare aplicată, în colaborare cu actori din industrie sau instituții publice interesate de tehnologii solare pasive.
Până atunci, materialul rămâne o promisiune puternică într-un domeniu în care cererea pentru soluții eficiente, ieftine și fără emisii crește de la an la an.
CITIȚI ȘI:
Românii evită investițiile în eficiența energetică din cauza costurilor
