Sprytne materiały ułatwiają wyciąganie czystej wody z powietrza

krople wody na tafli szkła LUM3N | Unsplash

Zapewnienie globalnej populacji czystej wody pitnej jest jednym z największych wyzwań inżynieryjnych XXI wieku. W niektórych krajach ponad połowa ludności nie ma dostępu do czystej wody, a na świecie co trzecia osoba nie ma dostępu do podstawowych urządzeń sanitarnych, dla których woda ma kluczowe znaczenie.

Jest to istotna przyczyna biegunki i ogólnie złego stanu zdrowia. Według niektórych szacunków ponad 5000 dzieci umiera każdego dnia w wyniku choroby związanej z biegunką. Dlatego ważnym celem jest znalezienie sposobów na produkcję czystej wody.

Problem polega na tym, że większość technik jest zbyt droga dla biednych krajów. Tradycyjne metody, takie jak destylacja, odwrócona osmoza i recykling ścieków, są energochłonne i drogie. A techniki pasywne, które opierają się na energii słonecznej, wymagają egzotycznych materiałów i koncentratorów słonecznych, które są nieporęczne i drogie.

Istnieje jednak inna technika, która może zmienić ten przygnębiający rachunek różniczkowy: zbieranie rosy. Wiąże się to z chłodzeniem powietrza tak, aby zawarta w nim para wodna skropliła się i mogła zostać zebrana. Ta pasywna technologia ma ogromny potencjał w zakresie pozyskiwania świeżej wody ze względu na fakt, że znaczna ilość pary wodnej jest magazynowana w atmosferze, twierdzą Minghao Dong i współpracownicy z Uniwersytetu Południowo-Wschodniego w Nanjing w Chinach.

Rodzi to kilka oczywistych pytań. Ile wody można zebrać w ten sposób? A jak najlepiej to zebrać?

Dziś Minghao i współpracownicy po raz pierwszy obliczają podstawowe ograniczenia technologii zbierania rosy. Następnie opisują, jak prosta zmiana technik konwencjonalnych może znacząco poprawić użyteczność i wydajność.

Najpierw trochę tła. Pasywne kombajny rosy składają się z kondensatora, cienkiej, płaskiej warstwy materiału, która emituje ciepło w nocne niebo (kombajny do rosy działają zazwyczaj tylko w nocy). Skraplacz jest izolowany od gruntu, dzięki czemu nie może pobierać ciepła od dołu.

Ponieważ skraplacz emituje energię w nocy, jego temperatura spada, ochładzając bezpośrednio sąsiadujące z nim powietrze. Jeżeli temperatura powietrza spadnie poniżej punktu rosy (temperatura, w której powietrze jest nasycone parą wodną), para ulegnie kondensacji.

Oczywiście wydajność tego procesu zależy od wielu czynników, w szczególności temperatury otoczenia powietrza, jego wilgotności względnej oraz szybkości, z jaką skraplacz może emitować ciepło.

Przez lata fizycy obliczyli, ile wody może wytworzyć takie urządzenie, gdy kondensator jest doskonale promieniującym ciałem czarnym. Ale Minghao i koledzy twierdzą, że wszystkie te analizy pomijają oczywisty punkt: nie uwzględniają właściwie sposobu, w jaki prawdziwe materiały emitują ciepło, ani sposobu, w jaki ziemska atmosfera przenosi niektóre długości fal światła wydajniej niż inne.

W rezultacie, jak twierdzą, podstawowe ograniczenia tej techniki nie zostały odpowiednio wyjaśnione, co utrudnia ocenę wyników eksperymentów i ustalenie, czy ta technologia ma zastosowanie w różnych warunkach, w szczególności na stosunkowo suchych obszarach.

Dlatego po raz pierwszy uwzględnili te czynniki. To pozwoliło im ocenić, jak sprawdzą się różne materiały.

Ich metoda jest prosta. Minghao i współpracownicy wskazują, że długości fal, przy których atmosfera ziemska jest najbardziej przezroczysta, są dobrze znane. Mówią, że sensowne jest użycie kondensatora, który emituje na tych częstotliwościach, a nie takiego, który emituje na wszystkich długościach fal. Nazywają taki kondensator emiterem selektywnym i porównują go z wydajnością czarnego emitera

Wyniki przyciągają wzrok. Naukowcy twierdzą, że dopasowanie emisyjności kondensatora do właściwości transmisyjnych atmosfery umożliwia znaczną poprawę. Na przykład w temperaturze otoczenia 20°C (68°F) i wilgotności względnej 40% czarny emiter nie może w żaden sposób zbierać wody. W przeciwieństwie do tego, selektywny emiter mógłby [zbierać rosę w tempie] 13 gramów na metr kwadratowy na godzinę, jak mówią.

To znaczące odkrycie. To różnica między możliwością zbierania rosy w nocy w miejscu takim jak pustynia Mojave, a całkowitym brakiem wody.

Naukowcy zaprojektowali kondensator o wymaganej charakterystyce emitowania energii. Ich konstrukcja składa się z cienkich warstw trzech różnych materiałów na aluminiowej podstawie. Ta warstwowa struktura emituje najlepiej na długościach fal, przy których atmosfera jest najbardziej przezroczysta.

To ciekawa praca o potencjale szerokiego zastosowania. Minghao i koledzy twierdzą, że zbieranie rosy może być korzystne zarówno na wilgotnych, jak i suchych obszarach: pierwsza z nich obejmuje wyspy i miasta przybrzeżne, które są otoczone wodą morską, która nie nadaje się do picia, podczas gdy ta druga obejmuje pustynie, na których nie ma wody pitnej.

Ważny jest również niski koszt tego rodzaju pasywnej konstrukcji. Ta pasywna technologia pozyskiwania świeżej wody uzupełniłaby istniejące technologie, zwłaszcza na obszarach wiejskich io niskich dochodach, gdzie koszty są dużym problemem, mówią.

Jeśli może zapewnić czystą wodę pitną nawet niewielkiej części tych, którzy obecnie nie mają, będzie to znaczący zysk dla ludzkości.

Przynajmniej jeden startup, Woda o zerowej masie , próbuje już skomercjalizować podobne urządzenie, które może pobierać wodę z powietrza, podczas gdy inni naukowcy nadal rozwijają swoje możliwości, w tym współpracę między badaczami z University of California, Berkeley i MIT (zobacz Jak wyciągnąć wodę z powietrza , nawet w najbardziej suchych częściach globu ).

Nr ref.: arxiv.org/abs/1909.05757 : Podstawowe ograniczenia technologii zbierania rosy

ukryć