Smarte materialer gør det nemmere at trække rent vand fra luften

vanddråber på en glasrude LUM3N | Unsplash

At forsyne den globale befolkning med rent drikkevand er en af ​​de store tekniske udfordringer i det 21. århundrede. I nogle lande mangler mere end halvdelen af ​​befolkningen adgang til rent vand, og globalt har hver tredje person ikke adgang til grundlæggende sanitet, hvor vand er afgørende.

Dette er en væsentlig årsag til diarré og dårligt helbred generelt. Ifølge nogle skøn dør mere end 5.000 børn hver dag som følge af diarré-relateret sygdom. Så at finde måder at producere rent vand på er et vigtigt mål.

Problemet er, at de fleste teknikker er uoverkommeligt dyre for fattige lande. Traditionelle tilgange som destillation, omvendt osmose og spildevandsgenbrug er energikrævende og dyre. Og passive teknikker, der er afhængige af solenergi, kræver eksotiske materialer og solenergikoncentratorer, som er omfangsrige og dyre.

Men der er en anden teknik, der har potentialet til at ændre denne deprimerende beregning: dughøst. Dette involverer afkøling af luft, så den vanddamp, den indeholder, kondenserer, så den kan opsamles. Denne passive teknologi rummer et stort potentiale for ferskvandshøst på grund af det faktum, at en betydelig mængde vanddamp er lagret i atmosfæren, siger Minghao Dong og kolleger ved Southeast University i Nanjing, Kina.

Det rejser nogle åbenlyse spørgsmål. Hvor meget vand kan man lige høste på denne måde? Og hvad er den bedste måde at samle det på?

I dag beregner Minghao og kolleger for første gang de grundlæggende grænser for teknologi til dughøst. De beskriver derefter, hvordan en simpel ændring af konventionelle teknikker kan forbedre anvendeligheden og udbyttet markant.

Først lidt baggrund. Passive dughøstere består af en kondensator, en tynd, flad plade af materiale, der udstråler varme til nattehimlen (dughøstere arbejder generelt kun om natten). Kondensatoren er isoleret fra jorden, så den ikke kan optage varme nedefra.

Da kondensatoren udstråler energi om natten, falder dens temperatur, hvilket afkøler luften umiddelbart ved siden af ​​den. Hvis luftens temperatur falder til under dugpunktet (den temperatur, hvor luften er mættet med vanddamp), vil dampen kondensere.

Selvfølgelig er effektiviteten af ​​denne proces følsom over for en lang række faktorer, især luftens omgivende temperatur, dens relative fugtighed og den hastighed, hvormed kondensatoren kan udstråle varme.

I årenes løb har fysikere beregnet, hvor meget vand en sådan enhed kan producere, når kondensatoren er en perfekt udstrålende sort krop. Men Minghao og kolleger siger, at alle disse analyser går glip af et indlysende punkt: de tager ikke ordentligt højde for den måde, virkelige materialer udsender varme på, eller for den måde, Jordens atmosfære transmitterer nogle bølgelængder af lys mere effektivt end andre.

Som et resultat er de grundlæggende grænser for denne teknik ikke blevet ordentligt afklaret, hvilket gør det svært at evaluere eksperimenternes ydeevne og afgøre, om denne teknologi er anvendelig under forskellige forhold, især i relativt tørre områder, siger de.

Så de har inkluderet disse faktorer for første gang. Dette har givet dem mulighed for at vurdere, hvordan forskellige materialer vil fungere.

Deres metode er ligetil. Minghao og kolleger påpeger, at de bølgelængder, hvor Jordens atmosfære er mest gennemsigtig, er velkendte. De siger, at det giver mening at bruge en kondensator, der udsender ved disse frekvenser i stedet for en, der udsender på tværs af alle bølgelængder. De kalder en sådan kondensator for en selektiv emitter og sammenligner den med ydeevnen af ​​en sort emitter

Resultaterne er iøjnefaldende. Forskerne siger, at en tilpasning af kondensatorens emissivitet til atmosfærens transmissive egenskaber gør betydelige forbedringer mulige. For eksempel, ved en omgivende temperatur på 20 °C (68 °F) med en relativ luftfugtighed på 40 %, kan en sort emitter ikke høste vand på nogen måde. I modsætning hertil kunne den selektive emitter [høste dug med en hastighed på] 13 gram per kvadratmeter i timen, siger de.

Det er et væsentligt fund. Det er forskellen mellem at kunne høste dug om natten på et sted som Mojave-ørkenen og slet ikke have noget vand.

Forskerne har designet en kondensator med de nødvendige energi-emitterende egenskaber. Deres design består af tynde lag af tre forskellige materialer på en aluminiumsbund. Denne lagdelte struktur udsender bedst ved de bølgelængder, hvor atmosfæren er mest gennemsigtig.

Det er interessant arbejde med potentiale for bred anvendelse. Minghao og kolleger siger, at dughøst kan være gavnligt i både fugtige og tørre områder: Førstnævnte omfatter øer og kystbyer, som er omgivet af havvand, der ikke er drikkeligt, mens sidstnævnte omfatter ørkener, der mangler enhver form for drikkevand.

Og de lave omkostninger ved denne form for passivt design er også vigtig. Denne passive ferskvandshøstteknologi ville supplere eksisterende teknologier, især i landdistrikter og lavindkomstområder, hvor omkostningerne er en stor bekymring, siger de.

Hvis det kan bringe rent drikkevand til selv en lille brøkdel af dem, der i øjeblikket mangler, vil det være en betydelig gevinst for menneskeheden.

Mindst én opstart, Nul masse vand , forsøger allerede at kommercialisere en lignende enhed, der kan trække vand fra luften, mens andre forskere fortsætter med at skubbe deres muligheder, herunder et samarbejde mellem forskere ved University of California, Berkeley og MIT (se Sådan trækker du vand ud af den blå luft selv i de tørreste dele af kloden).

Ref: arxiv.org/abs/1909.05757 : Grundlæggende grænser for dughøstteknologien

skjule