Colloidi a base di caffè per l’assorbimento solare diretto

Un colloide a base di acqua distillata e caffè Arabica, economico ed ecocompatibile, che permette l’assorbimento diretto della radiazione solare e la sua conversione in energia termica. Si tratta di una recente proposta di alcuni studiosi italiani, che hanno sintetizzato la miscela e ne hanno testato le proprietà fototermiche.

L’energia solare è una delle risorse rinnovabili più importanti per ridurre il consumo di combustibili fossili e mitigare le emissioni di gas serra. In che modo sfruttarla al meglio? I dispositivi attuali per la conversione dell’energia del sole in energia termica dipendono in gran parte dall’assorbimento indiretto della luce solare.

Questa tecnologia sfrutta un assorbitore superficiale (selettivo) con un’elevata assorbanza solare e una bassa emittanza termica, che cattura in modo efficace la luce incidente e quindi trasferisce l’energia termica risultante a un fluido vettore per conduzione.

L’efficienza di tale assorbimento indiretto di energia solare, in genere, è limitata dall’elevata temperatura superficiale dell’assorbitore rispetto a quella del fluido vettore, che si traduce in maggiori perdite di calore per convezione con l’ambiente circostante.

Come superare questo problema?

Un’alternativa invitante è rappresentata dall’assorbimento diretto della luce del sole, dove un fluido, con proprietà termiche e ottiche adeguate, ricopre il ruolo sia di assorbitore di energia solare sia di vettore di calore.

Il vantaggio di questa tecnica risiede nella riduzione delle perdite di calore sia convettive sia radiative, dal momento che il picco di temperatura viene spostato dalla superficie dell’assorbitore (assorbimento indiretto) fino alla regione di massa del fluido vettore (assorbimento diretto).

Un potenziale promettente nella conversione dell’energia solare in energia termica

Negli ultimi anni, i cosiddetti nanocolloidi o nanofluidi, cioè sospensioni stabili di nanoparticelle in un fluido di base, hanno richiamato grande attenzione per il loro uso nell’assorbimento solare diretto. Questi fluidi sono caratterizzati da una fase sospesa con la capacità di conferire specifiche proprietà fototermiche potenziate al fluido di base.

Un numero cospicuo di nanocolloidi studiati si basa su nanoparticelle di carbonio disperse in acqua o altri liquidi. Sono stati testati diversi tipi di nanoparticelle, come nanotubi a parete singola e multiparete, grafite e polvere di carbonio in acqua. Tuttavia, si è visto che a causa della (cito) tossicità delle nanoparticelle di carbonio, una loro applicazione crescente può condurre a seri problemi ambientali e rischi biologici.

Nanocolloidi biocompatibili a partire dal caffè

Per oltrepassare queste spiacevoli limitazioni, un recente lavoro condotto in Italia ha proposto l’utilizzo un particolare sistema colloidale biocompatibile, composto di acqua distillata, caffè Arabica, glicerolo e solfato di rame. Quest’ultimo componente permette di evitare il biofouling, cioè l’accumulo di piante, alghe o animali sulle superfici bagnate, mentre il glicerolo abbassa il punto di congelamento e consente l’uso del nanocolloide in climi freddi.

Gli studiosi hanno effettuato la caratterizzazione ottica della miscela per diverse diluizioni, mostrandone la buona capacità di immagazzinamento di energia. Attraverso la stampa 3D, il team ha progettato e realizzato collettori su misura per testare le prestazioni fototermiche dei colloidi a base di caffè rispetto al classico assorbimento indiretto basato su una superficie selettiva. I test sul campo hanno indicato che le sostanze in questione sono in grado di fornire prestazioni simili al tradizionale assorbimento indiretto.

Dal caffè dunque una soluzione a portata di mano! I risultati ottenuti, infatti, sembrerebbero aprire la strada a una nuova e non convenzionale famiglia di colloidi ambientalmente sostenibili e utili per molteplici applicazioni solari, quali la formazione di vapore, la desalinizzazione dell’acqua di mare o la produzione di acqua calda per uso domestico.

Fonte: Matteo Alberghini, Matteo Morciano, Luca Bergamasco, Matteo Fasano, Luca Lavagna, Gabriele Humbert, Elisa Sani, Matteo Pavese, Eliodoro Chiavazzo & Pietro Asinari, Coffee-based colloids for direct solar absorption, Scientific Reports (2019) 9:4701| doi.org/10.1038/s41598-019-39032-5 [Open Access] Creative Commons Attribution 4.0 International License.