Les lasers gravent un moyen simple de faire face à la crise mondiale de l'eau
Au milieu de la pandémie de coronavirus, les habitants des pays développés sont assurés d'avoir suffisamment d'eau potable pour se laver les mains aussi souvent que nécessaire pour se protéger de la maladie.
Et pourtant, près d'un tiers de la population mondiale n'est même pas assuré d'avoir de l'eau potable pour boire.
Les chercheurs de l'Université de Rochester ont maintenant trouvé un moyen de résoudre ce problème en utilisant la lumière du soleil – une ressource accessible à tous – pour évaporer et purifier l'eau contaminée avec une efficacité supérieure à 100%.
Comment est-ce possible?
Dans un article en Durabilité de la nature, des chercheurs du laboratoire de Chunlei Guo, professeur d'optique, démontrent comment une rafale d'impulsions laser femtoseconde grave la surface d'une feuille d'aluminium normale en un matériau super absorbant (attirant l'eau) et super absorbant l'énergie.
Lorsqu'elle est placée dans l'eau à un angle face au soleil, la surface:
- Dessine une fine pellicule d'eau vers le haut sur la surface du métal
- Conserve près de 100% de l'énergie qu'il absorbe du soleil pour chauffer rapidement l'eau
- Simultanément, modifie les liaisons intermoléculaires de l'eau, augmentant encore plus considérablement l'efficacité du processus d'évaporation.
«Ces trois éléments réunis permettent à la technologie de mieux fonctionner qu'un appareil idéal avec une efficacité de 100%», explique Guo, également affilié aux programmes de physique et de science des matériaux de l'Université.
« Il s'agit d'un moyen simple, durable et peu coûteux de faire face à la crise mondiale de l'eau, en particulier dans les pays en développement. »
Des expériences en laboratoire montrent que la méthode réduit la présence de tous les contaminants courants, tels que les détergents, les colorants, l'urine, les métaux lourds et la glycérine, à des niveaux sûrs pour la consommation.
La technologie pourrait également être utile dans les pays développés pour soulager les pénuries d'eau dans les zones frappées par la sécheresse et pour les projets de dessalement de l'eau, explique Guo.
Facile à nettoyer, facile à viser
L'utilisation de la lumière du soleil pour faire bouillir est reconnue depuis longtemps comme un moyen d'éliminer les agents pathogènes microbiens et de réduire les décès dus aux infections diarrhéiques.
Mais l'eau bouillante n'élimine pas les métaux lourds et autres contaminants.
La purification de l'eau à base solaire, cependant, peut réduire considérablement ces contaminants car presque toutes les impuretés sont laissées derrière lorsque l'eau s'évaporant devient gazeuse, puis se condense et est collectée.
La méthode la plus courante d'évaporation de l'eau à base solaire est le chauffage volumique, dans lequel un grand volume d'eau est chauffé mais seule la couche supérieure peut s'évaporer.
Cela est évidemment inefficace, dit Guo, car seule une petite fraction de l'énergie de chauffage est utilisée.
Une approche plus efficace, appelée chauffage interfacial, place des matériaux flottants, multicouches absorbants et absorbants au-dessus de l'eau, de sorte que seule l'eau près de la surface doit être chauffée.
Mais les matériaux disponibles doivent tous flotter horizontalement au-dessus de l'eau et ne peuvent pas faire face directement au soleil, explique Guo.
Ainsi, l'approche est moins économe en énergie. De plus, les matériaux de mèche disponibles deviennent rapidement obstrués par des contaminants laissés après l'évaporation, nécessitant un remplacement fréquent des matériaux.
Le panneau développé par le laboratoire Guo évite ces inefficacités en tirant une fine couche d'eau hors du réservoir et directement sur la surface de l'absorbeur solaire pour le chauffage et l'évaporation.
De plus, comme nous utilisons une surface à rainures ouvertes, elle est très facile à nettoyer en la pulvérisant simplement. Le plus grand avantage, « ajoute-t-il, » est que l'angle des panneaux peut être ajusté en continu pour faire face directement au soleil lorsqu'il se lève, puis se déplace à travers le ciel avant de se coucher « – maximisant l'absorption d'énergie. » Il n'y avait tout simplement rien d'autre ressemblant ce que nous pouvons faire ici. «
Chunlei Guo, professeur, Département d'optique, Université de Rochester
Dernières applications
Le projet a été financé par la Fondation Bill et Melinda Gates, la National Science Foundation et le US Army Research Office.
« L'Armée de terre et ses combattants opèrent sur l'eau, il existe donc un intérêt particulier pour la recherche sur les matériaux de base qui pourrait conduire à des technologies avancées pour produire de l'eau potable », a déclaré Evan Runnerstrom, directeur de programme, Army Research Office, un élément des capacités de combat de l'armée américaine. Laboratoire de recherche de l'armée du Commandement du développement.
« Les propriétés de super-absorption et d'absorption de la lumière de ces surfaces en aluminium peuvent permettre une purification passive ou à faible puissance de l'eau pour mieux soutenir le combattant sur le terrain. »
En plus d'utiliser la technologie de gravure laser femto-seconde pour créer des métaux superhydrophobes (hydrofuges), superhydrophiles (attirant l'eau) et super absorbants d'énergie, le laboratoire Guo a créé des structures métalliques qui ne coulent pas, quelle que soit la fréquence à laquelle elles sont forcées l'eau ou combien il est endommagé ou perforé.
Avant de créer les métaux attirant et repoussant l'eau, Guo et son assistant, Anatoliy Vorobyev, ont démontré l'utilisation d'impulsions laser femto-seconde pour transformer presque tous les métaux en noir.
Les structures de surface créées sur le métal étaient incroyablement efficaces pour capturer le rayonnement entrant, comme la lumière. Mais ils ont également capturé la lumière sur une large gamme de longueurs d'onde.
Par la suite, son équipe a utilisé un processus similaire pour changer la couleur d'une gamme de métaux en différentes couleurs, comme le bleu, l'or et le gris.
Les applications pourraient inclure la fabrication de filtres de couleur et de dispositifs spectraux optiques, en utilisant un seul laser dans une usine automobile pour produire des voitures de différentes couleurs; ou proposer avec une bague de fiançailles en or qui correspond à la couleur des yeux bleus de votre fiancée.
Le laboratoire a également utilisé la technique initiale du métal noir et coloré pour créer un ensemble unique de structures à nano et micro-échelle à la surface d'un filament de tungstène régulier, permettant à une ampoule de briller plus brillamment avec la même consommation d'énergie.
La source:
Référence de la revue:
Singh, S. C., et al. (2020) Panneau en métal noir ultra-absorbant à suivi solaire pour l'assainissement photothermique de l'eau. Durabilité de la nature. doi.org/10.1038/s41893-020-0566-x.
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