Vand hvor du har brug for det

Cody Friesen, PhD

Cody Friesen, PhD '04, opfandt paneler, der høster vand fra luften - selv i tørre Arizona. Og det er efter, at han havde fundet ud af, hvordan man laver genopladelige højenergibatterier, der er billige og miljøvenlige. Art Holeman





I 2018 vandrede Cody Friesen, PhD '04, gennem bushen i Kenyas Rift Valley for at forstå de farer, pigerne fra Samburu Girls Foundation stod over for, da de gik ud for at samle vand.

Hver dag måtte piger, der boede hos redningsorganisationen, gå to kilometer – ofte forbi mænd, der ser dem som ejendom – til det nærmeste vand i et land, hvor det seneste årti havde været præget af blærende tørke.

Der, på de mudrede bredder af en flod fyldt med kolera, så Friesen sporene af hyæner og mænd, påmindelser om, hvad der kunne vente enhver pige, der dvælede.



Scenen stod også som en påmindelse om, at anslået 2,2 milliarder mennesker verden over mangler sikkert drikkevand, inklusive disse sårbare kenyanske piger 200 miles nord for Nairobi.

Friesen eliminerede den daglige vandring til floden ved at installere en række af 40 enheder, der ligner solpaneler på fondens grund. Han designede enheden, som han kalder Source Hydropanel, til at trække vand ud af luften, kun drevet af solenergi. Det løste vandsikkerhedskrisen på det kenyanske pigetilflugtssted - og Friesen siger, at hans enhed kan gøre det samme for mennesker over hele kloden, der mangler adgang til rent drikkevand.

Beboere i Bahia Hondita på La Guajira-halvøen i Colombia får nu vand fra en række Source-hydropaneler i stedet for at stole på brakvand fra en lokal boring.



NUL MASSE VAND

Friesen blev først interesseret i vand, da han voksede op i det, der dengang var relativt landlige forstæder sydøst for Phoenix. Som barn vandrede vi i ørkenen, vandrede vi altid til et vandområde som en å eller en kilde, siger han. Fra en tidlig alder var det kun en del af mit liv at værdsætte vandets betydning og betydning. Han havde også altid været nysgerrig efter, hvordan tingene fungerede, sådan en dreng, der rev den nye legetøjsbil i stykker julemorgen og fik den samlet igen ved frokosttid. Så som en teenager, der besøgte bevoksninger af bomuldsskov og naturlige kilder på vandreture, ville han ikke kun overveje værdien af ​​vand, men også tænke på infrastrukturen, der førte det fra Colorado-floden til metrostationen Phoenix. Han regnede med, at der var et bedre alternativ til den eksisterende løsning: at opdæmme en af ​​Nordamerikas mægtigste floder og pumpe dets vand flere hundrede kilometer.

Da han startede på Arizona State University som bachelor, greb han over til materialevidenskab, som han kalder en trifecta af fysik, kemi og maskinteknik. Hans doktorgradsforskning ved MIT fokuserede på egenskaberne af tynde metalliske film og kvantemekanikken i katalyse relateret til brændselsceller. Efter at have opnået sin ph.d.-grad i 2004 vendte han tilbage til ASU og kom til det materialevidenskabelige fakultet på Ira A. Fulton Schools of Engineering.

I sit nye laboratorium på ASU vendte han sin opmærksomhed mod at bygge et bedre batteri. Inden for tre år havde Friesen skabt et genopladeligt zink-luft-batteri og grundlagt en startup kaldet Fluidic Energy for at kommercialisere det. Det fulgte han med sit vand-fra-luft-hydropanel og lancerede i 2014 sit andet projekt, Zero Mass Water, for at forfine, fremstille og distribuere det.



Friesen beskriver lignende oprindelse og opdagelsesveje for hver. I begge tilfælde startede han med at prøve at forstå og derefter omformulere problemer med store billeder. Han ledte derefter efter måder at løse dem på ved hjælp af materialer, der var bedst egnede til de særlige kemiske og fysiske udfordringer, der var tale om. Det er en tilgang, han siger, blev indpodet på MIT, hvor folk fokuserer på hårde udfordringer og hele tiden tænker på, hvordan man hacker nye løsninger sammen, siger han.

Zink-luft-batteriet havde sin tilblivelse, da Friesen kiggede på det periodiske system og spurgte, hvad det billigste mulige batteri ville være. Det fik ham til at tænke på ilt i luften som katoden og zinkmetal som anoden. Zink-luft-batterier havde eksisteret i omkring 100 år, men ingen vidste, hvordan de skulle genoplades. De udleder den energi, der er lagret i zinken, ved at udsætte den for luftens ilt, skabe zinkoxid og frigive elektroner. Men genopladning af batteriet får spidse krystaller eller dendritter af zink til at opbygge sig på overfladen af ​​anoden, hvilket gør det umuligt at genoplade den mere end et par gange. For at komme uden om dendritproblemet skabte Friesen et lagdelt nikkelstillads med en række huller i forskellige størrelser; lagene er karakteriseret ved forskellige elektriske egenskaber. Zink belægges på stilladset, som derefter fungerer som en porøs anode, og en blanding af kaliumhydroxid og ioniske væskebaserede additiver fungerer som en elektrolyt. Når elektrolytten passerer gennem anoden under opladning og afladning, arbejder denne blanding med porerne og den lagdelte struktur for at forhindre dendritter i at dannes og opbygges. Som følge heraf kan batterierne genoplades gentagne gange og er designet til at holde mere end 10 år.

Enheden afkrydsede alle boksene. Det blev bygget med billige, giftfrie og rigeligt tilgængelige råmaterialer. Og det kunne lagre mere energi end et lithium-ion-batteri til en meget lavere pris - potentielt for så lidt som $10 pr. kilowatt-time i skala.



Friesens batterier kunne holde strøm i 12 timer eller mere under længerevarende strømafbrydelser. I områder uden adgang til nettet kunne de lades op af solpaneler og bruges til at levere strøm. Opfindelsen fik MIT Technology Review til at inkludere ham på TR35-listen i 2009, der anerkendte fremragende innovatører under 35 år.

I 2018 blev Fluidic Energy købt af kirurgen og medicinsk iværksætter Patrick Soon-Shiong og blev til NantEnergy. Selskabet siger, at det har leveret strøm til 200.000 mennesker i landdistrikterne i Afrika og henviser til et demonstrationsprojekt på Madagaskar, hvor tre fjerdedele af befolkningen ikke har elektricitet. Selvom det afskedigede halvdelen af ​​sin arbejdsstyrke sidste efterår, rapporterede NantEnergy at have installeret 3.000 systemer i ni lande sidste år og siger, at det alt i alt har leveret backup-strøm under mere end en million timers forlængede strømafbrydelser.

Da zink-luft-batteriet flyttede fra laboratorium til marked, arbejdede Friesen allerede på sin næste store udfordring. Siden 2010 havde han ønsket at udvikle en enhed, der kunne producere rent vand, hvor det er nødvendigt - og kun bruge frit tilgængelige ressourcer og vedvarende energi til at gøre det.

Han indså, at der er masser af fugt i luften. Udfordringen var, hvordan man udvinder og leverer det effektivt. I 2014 var Friesen ved at finjustere en fungerende prototype i sit ASU-laboratorium i Tempe.

I dag ligner Source hydropanelet et tykt solpanel, der måler otte fod gange fire fod gange fem tommer oven på en base med et reservoir; alt fortalt er den omkring tre fod høj og vejer omkring 300 pund. Enheden bruger solcelledrevne blæsere til at trække luft indenfor, hvor vanddamp adsorberes på et proprietært hygroskopisk materiale - et tørremiddel, som Friesen konstruerede på nanoskala for at maksimere dets evne til at tiltrække vand uden at kompromittere dets evne til at frigive det vand, der samler sig på dens overflade. Varme opfanget af enhedens solvarmepaneler øger vandets damptryk, hvilket får det hygroskopiske materiale til at frigive det. Dette øger den specifikke fugtighed af vanddampen inde i enheden, og hæver dugpunktet over den omgivende temperatur, så der ikke er behov for at afkøle dampen for at få den til at kondensere - selv i tørre omgivelser. Friesen kalder denne proces for passiv kondensering. Derfra samler vandet sig i en 30-liters tank i bunden af ​​enheden. Nyt vand trækkes gentagne gange ind i og frigives fra de hygroskopiske materialer mange gange dagligt.

Det hygroskopiske materiale tiltrækker effektivt kun vandmolekyler, så de kombinerede processer med adsorption og passiv kondensering leverer konsekvent vand af høj renhed. I teorien er selv vand høstet fra forurenet luft rent, siger Friesen, som tilføjer, at alle virksomhedens målinger til dato bekræfter det. Vandet i tanken behandles regelmæssigt med ozon for at forhindre vækst af mikrober, og før det når en dispenser, passerer det gennem calcium- og magnesiumpatroner for at forbedre smagen.

Solcelledrevne sensorer hjælper med at optimere hydropanelets ydeevne ved at måle den omgivende lufttemperatur, solintensiteten og den relative luftfugtighed, og tilfører disse data til en algoritme, der dynamisk styrer den hastighed, hvormed fans trækker luft ind i enheden. Solcelledrevne trådløse sendere sender også live data til en cloud-database, hvilket gør det muligt for Zero Mass Water at overvåge alle installerede paneler. Virksomhedens netværksdriftscenter kan normalt løse funktionelle problemer med over-the-air kommandoer og programmering; hvis der opdages et vedligeholdelsesproblem, kan centret kontakte lokale partnere for at løse det.

Friesen siger, at slutresultatet af forskning ikke bør være en publikation. Akademia handler om at skabe ny viden og omsætte den viden til praktiske anvendelser.

Hvert hydropanel kan generere op til fem liter drikkevand om dagen, afhængigt af skydække og luftfugtighed. På steder med begrænset sollys eller lav luftfugtighed er panelerne mindre effektive. Men Friesen siger, at de to enheder på taget af hans hjem i Arizona giver nok drikkevand til hans familie på fire plus to Weimaranere, på et sted med gennemsnitligt 110 dage med trecifrede temperaturer og mere end syv måneders encifret luftfugtighed. Vand kan ikke produceres under fryseforhold, hvilket begrænser hydropanelernes anvendelighed i vinterlige klimaer.

Zero Mass Water begyndte i 2014 i en tidligere Volvo-forhandler. I slutningen af ​​sidste år hængte arbejdere skilte over indgangen til et nyt hovedkvarter, en gemt industribygning et par kilometer sydpå i Tempe. Virksomheden har rejst 65 millioner dollars i risikovillig kapital og har installeret paneler i 37 lande, både i jungler og ørkener. Kildepaneler har leveret vand på regeringskontorer, hoteller, hospitaler, skoler og restauranter samt i syriske flygtningelejre, i Puerto Rico i kølvandet på orkanen Maria og til pigernes fond i Kenya.

Men enhederne er dyre; hvert hydropanel er $2.500, og installation af et array af to kan koste op til $6.500. For at gøre fremskridt i retning af sin vision om at skaffe vand til hver person alle steder, bliver Friesen nødt til at få omkostningerne ned. (Til dato er mange installationer blevet finansieret af tilskud fra regeringer, fonde og ngo'er.) I mellemtiden meddelte han for nylig, at virksomheden udruller en halvstor enhed med et fodaftryk, der er nemmere at integrere med boligsolpaneler. Det tog solceller årtier at nå, hvor det er nu med økonomisk og ydeevne effektivitet, siger han. På bare fem år har vi formået at spejle den vækst og er på vej til at gøre Source-vand tilgængeligt på en betydeligt komprimeret tidslinje.

Zero Mass Water optager det meste af Friesens tid i disse dage, men han er fortsat deltidslektor og senior bæredygtighedsforsker ved ASU’s bæredygtighedsinstitut.

Friesen, som har siddet i to perioder i US Manufacturing Council under Obama-administrationen, har til dato fået tildelt 63 patenter, og han vandt 2019 Lemelson-MIT Prize for opfindelse sidste efterår. Prisen på $500.000, som hædrer opfindere, hvis arbejde lover at forbedre verden, afspejlede hans arbejde med både zink-luft-batteriet og hydropanelet. Jeg kniber mig stadig, siger Friesen, der bruger størstedelen af ​​præmiepengene til at installere sine hydropaneler i Bahia Hondita, en colombiansk landsby, der står over for en alvorlig drikkevandsmangel. Han valgte installationsstedet ved at ringe til en ven hos Conservation International og spørge, hvilket sted der havde mest brug for hjælp.

Gary Dirks, seniordirektøren for ASU's Global Futures Lab, er ikke overrasket over, hvordan hans kollega bruger sine præmiepenge, da Friesen også har oprettet stipendier for at støtte unge iværksættere på universitetet. De to mødtes, da Friesen beta-testede hydropanelet, og Dirks indvilligede i at styre bevillingspengene ind i projektet. Han er i høj grad en klog serieiværksætter og serieopfinder. Det er det, han kan lide at lave, og han kan godt lide at påtage sig rigtig store ting, siger Dirks, der beskriver Friesen som en mand på mission.

Slutresultatet [af forskning] bør ikke være en publikation, siger Friesen. Akademia handler om at skabe ny viden og om oversættelsen af ​​den viden - dens rejse ud af laboratoriet og til praktiske anvendelser, der kan forbedre folks liv.

Det er ikke den veløvede, polerede sælger, der taler, siger Dirks: Han er motiveret af verdens store problemer.

skjule