One-step synthesis of anhydrous Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 molten salt for high-temperature thermal energy storage

Il Problema Appiccicoso del Sole e la Magia del Sale Secco

Immaginate di cercare di conservare l'energia del sole come se conservaste i soldi in un salvadanaio. Quando il sole splende forte, volete catturare quanta più energia termica possibile e risparmiarla per un giorno di pioggia o una notte nuvolosa. Questa è la grande idea alla base del Concentrating Solar Power (CSP - Energia Solare Concentrata). Gli scienziati utilizzano enormi specchi per focalizzare la luce solare su un ricevitore, riscaldando un liquido speciale che scorre attraverso tubi. Questo liquido caldo fa poi girare una turbina per produrre elettricità, anche dopo che il sole è tramontato.

Il problema è trovare il liquido "salvadanaio" perfetto. Per molto tempo, gli scienziati hanno utilizzato una miscela di due sali comuni (nitrato di sodio e nitrato di potassio) perché sono economici e trattengono bene il calore. Ma hanno alcuni difetti fastidiosi: congelano a temperature troppo elevate (rendendo difficile l'avvio) e iniziano a degradarsi e a "marcire" se diventano troppo caldi, limitando la quantità di energia che si può conservare. Per risolvere il problema, i ricercatori hanno provato ad aggiungere un terzo ingrediente: il nitrato di magnesio. Questo è come aggiungere una spezia segreta a una zuppa per abbassare il punto di congelamento. Tuttavia, il nitrato di magnesio che solitamente si acquista arriva con uno zaino pesante di molecole d'acqua attaccate (è un "idrato"). Quando si prova a sciogliere questo sale umido, l'acqua crea un disastro chimico, generando una sostanza corrosiva e appiccicosa che rovina la miscela e la rende instabile alle alte temperature. La sfida è stata: come si fa a togliere l'acqua senza rompere il sale o farlo esplodere?

Il Trucco dell'Essiccazione in un Unico Passaggio

In questo studio, un team di ricercatori della Qinghai Normal University e di altre istituzioni ha deciso di affrontare direttamente questo problema del "sale umido". Volevano creare una versione super stabile e priva di acqua (anidra) di una miscela di tre sali: nitrato di magnesio, nitrato di sodio e nitrato di potassio. Invece di acquistare il nitrato di magnesio anidro (che è costoso e difficile da gestire), sono partiti dalla versione umida ed economica e hanno ideato un modo intelligente per asciugarlo in un unico passaggio direttamente all'interno della miscela.

Pensate ai cristalli di nitrato di magnesio umido come a spugne imbevute d'acqua. Se li gettate semplicemente in un forno caldo, l'acqua potrebbe evaporare troppo velocemente, facendo sì che la spugna si sbricioli o reagisca male con gli altri sali. I ricercatori hanno progettato un particolare "programma di cottura" per spremere delicatamente l'acqua fuori. Hanno inserito il nitrato di magnesio umido in un contenitore speciale e lo hanno riscaldato a stadi. Prima lo hanno scaldato a 150°C, poi a 250°C e infine a 300°C, mantenendolo a ciascuna temperatura per un tempo specifico. Hanno fatto questo in un vuoto (uno spazio senza aria) o sotto un flusso di gas per portar via il vapore acqueo non appena lasciava il sale. Questo processo di essiccazione attento e graduale ha trasformato il sale umido e instabile in una polvere asciutta e stabile, senza lasciare che si trasformasse nella "melma" corrosiva che di solito accade.

Una volta che il nitrato di magnesio era asciutto, lo hanno mescolato con gli altri due sali per creare il loro nuovo sale fuso ternario "MNK". Hanno poi sottoposto questa nuova miscela a una serie di test per vedere come si comportava rispetto alla vecchia versione umida. Hanno utilizzato una macchina chiamata TG-DSC, che è come una bilancia super intelligente che misura anche il calore. Questa macchina riscalda il sale lentamente mentre ne pesa la massa per vedere se perde peso (il che significherebbe che si sta decomponendo o perdendo acqua) e misura quanta energia serve per fonderlo.

I risultati sono stati molto promettenti. Il nuovo sale secco è un materiale di accumulo termico molto migliore rispetto a quello umido. In primo luogo, non inizia a degradarsi fino a raggiungere i 457,6°C, mentre la versione umida iniziava a decomporsi a soli 404,1°C. Questo è un grande passo avanti perché significa che si può riscaldare il sale molto di più, immagazzinando più energia senza che esso si deteriori. I ricercatori hanno scoperto che il sale secco può operare in sicurezza fino a 450°C, estendendo la "zona sicura" per le centrali solari.

In secondo luogo, il sale secco fonde a una temperatura più bassa. La miscela umida aveva bisogno di raggiungere i 157,5°C prima di diventare liquida, ma la versione secca ha iniziato a fondere a 148,2°C. Questo rende più facile l'avvio del sistema al mattino. Ancora meglio, quando fonde, assorbe più energia. Il "calore latente di fusione" (l'energia che assorbe durante la fusione) è passato da 66,61 J·g⁻¹ per il sale umido a 88,71 J·g⁻¹ per il sale secco. Questo è un aumento significativo della "potenza della batteria" che il sale possiede.

Il team ha anche controllato se il sale sarebbe sopravvissuto al riscaldamento e al raffreddamento ripetuti, simulando anni di cicli giorno-notte. Dopo aver riscaldato il sale secco a 450°C e averlo lasciato raffreddare, lo hanno pesato. Ha perso quasi nulla in massa (solo circa il 2,01% dopo 300 ore ad alta temperatura), dimostrando di essere molto stabile. Al contrario, il sale umido ha perso molta massa (8,61%) alla stessa temperatura perché l'acqua all'interno stava uscendo e il sale si stava decomponendo. Hanno persino cercato segni chimici di problemi, come la presenza di un sottoprodotto corrosivo chiamato idrossinitrato di magnesio. Hanno trovato questa sostanza dannosa nei campioni di sale umido, ma era completamente assente nel sale secco.

L'articolo conclude che questo semplice metodo di essiccazione in un unico passaggio è un modo pratico per produrre sale ad alte prestazioni per l'energia solare. Rimuovendo con cura l'acqua prima che il sale fonda, hanno creato un materiale che è più stabile, trattiene più calore e può sopravvivere a temperature più elevate rispetto alla miscela umida tradizionale. Sebbene l'articolo non affermi che questa sia la soluzione definitiva per tutto il settore solare, suggerisce che questo specifico sale secco è un candidato molto forte per rendere lo stoccaggio dell'energia solare più efficiente e affidabile.