Woda tam, gdzie jej potrzebujesz

Cody Friesen, PhD ’04, wynalazł panele, które zbierają wodę z powietrza – nawet w suchej Arizonie. I to po tym, jak odkrył, jak zrobić ładowalne akumulatory o wysokiej energii, które są tanie i przyjazne dla środowiska. Sztuka Holeman

W 2018 r. Cody Friesen, doktorant z 2004 r., wędrował przez busz w dolinie Rift w Kenii, aby zrozumieć niebezpieczeństwa, z jakimi borykały się dziewczęta z Samburu Girls Foundation, gdy wychodziły po wodę.

Każdego dnia dziewczęta mieszkające w organizacji ratunkowej musiały iść dwie mile — często mijając mężczyzn, którzy postrzegają je jako własność — do najbliższej wody w kraju, w którym miniona dekada była naznaczona palącymi suszami.

Tam, na błotnistych brzegach rzeki podziurawionej cholerą, Friesen zobaczył ślady hien i mężczyzn, przypominające o tym, co może czekać każdą dziewczynę, która zostanie.

Scena ta przypominała również, że około 2,2 miliarda ludzi na całym świecie, w tym te wrażliwe kenijskie dziewczęta, 200 mil na północ od Nairobi, nie ma bezpiecznej wody pitnej.

Friesen wyeliminował tę codzienną wędrówkę nad rzekę, instalując na terenie fundacji tablicę 40 urządzeń przypominających panele słoneczne. Zaprojektował urządzenie, które nazywa Źródło Hydropanel, do wyciągania wody z powietrza, zasilane wyłącznie energią słoneczną. Rozwiązał kryzys bezpieczeństwa wody w schronisku dla dziewcząt w Kenii — a Friesen twierdzi, że jego urządzenie może zrobić to samo dla ludzi na całym świecie, którzy nie mają dostępu do czystej wody pitnej.

Mieszkańcy Bahia Hondita na półwyspie La Guajira w Kolumbii otrzymują teraz wodę z szeregu hydropaneli Source zamiast polegać na wodzie słonawej z lokalnego odwiertu.

ZERO MASA WODY

Friesen po raz pierwszy zainteresował się wodą dorastając na ówczesnych stosunkowo wiejskich przedmieściach na południowy wschód od Phoenix. Jako dzieciaki wędrujące po pustyni, zawsze wędrowaliśmy do akwenu, takiego jak strumień lub źródło, mówi. Od najmłodszych lat docenianie znaczenia i znaczenia wody było tylko częścią mojego życia. Zawsze był też ciekaw, jak to wszystko działa, dzieciak, który w świąteczny poranek rozerwał na części nowy samochodzik i kazał go złożyć do lunchu. Tak więc jako nastolatek wędrujący po kępach topoli i naturalnych źródeł podczas wędrówek nie tylko zastanawiał się nad wartością wody, ale także myślał o infrastrukturze, która dostarczała ją od rzeki Kolorado do metra Phoenix. Uznał, że istnieje lepsza alternatywa dla istniejącego rozwiązania: tamowanie jednej z najpotężniejszych rzek Ameryki Północnej i pompowanie jej wody setki mil.

Kiedy rozpoczął studia licencjackie na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie, skupił się na materiałoznawstwie, które nazywa trifecta fizyki, chemii i inżynierii mechanicznej. Jego badania doktoranckie na MIT koncentrowały się na właściwościach cienkich warstw metalicznych i mechanice kwantowej katalizy związanej z ogniwami paliwowymi. Po uzyskaniu doktoratu w 2004 r. powrócił do ASU, dołączając do wydziału materiałoznawstwa w Ira A. Fulton Schools of Engineering.

W swoim nowym laboratorium w ASU skupił się na zbudowaniu lepszej baterii. W ciągu trzech lat Friesen stworzył akumulator cynkowo-powietrzny wielokrotnego ładowania i założył startup o nazwie Fluidic Energy, aby go skomercjalizować. Podążył to za tym swoim hydropanelem z wodą z powietrza, aw 2014 uruchomił swoje drugie przedsięwzięcie, Zero Mass Water, aby je udoskonalić, wyprodukować i dystrybuować.

Friesen opisuje podobne pochodzenie i ścieżki odkryć dla każdego. W obu przypadkach zaczął od próby zrozumienia, a następnie przeformułowania problemów z dużego obrazu. Następnie szukał sposobów ich rozwiązania przy użyciu materiałów najlepiej dostosowanych do konkretnych wyzwań chemicznych i fizycznych. Mówi, że takie podejście zostało zaszczepione w MIT, gdzie ludzie skupiają się na trudnych wyzwaniach i ciągle myślą o tym, jak wspólnie włamać się do nowych rozwiązań.

Bateria cynkowo-powietrzna miała swoją genezę, gdy Friesen spojrzał na układ okresowy pierwiastków i zapytał, jaka byłaby najtańsza możliwa bateria. To skłoniło go do myślenia o tlenie w powietrzu jako katodzie i metalicznym cynku jako anodzie. Baterie cynkowo-powietrzne istniały od około 100 lat, ale nikt nie wiedział, jak je naładować. Rozładowują energię zmagazynowaną w cynku, wystawiając go na działanie tlenu z powietrza, tworząc tlenek cynku i uwalniając elektrony. Jednak ponowne ładowanie akumulatora powoduje, że na powierzchni anody odkładają się kolczaste kryształy lub dendryty cynku, co uniemożliwia ładowanie go więcej niż kilka razy. Aby obejść problem dendrytów, Friesen stworzył warstwowe rusztowanie niklowe z szeregiem otworów o różnych rozmiarach; warstwy charakteryzują się różnymi właściwościami elektrycznymi. Cynk jest osadzony na rusztowaniu, które następnie działa jako porowata anoda, a mieszanka wodorotlenku potasu i dodatków na bazie cieczy jonowych służy jako elektrolit. Kiedy elektrolit przechodzi przez anodę podczas ładowania i rozładowywania, ta mieszanina współpracuje z porami i strukturą warstwową, aby zapobiec tworzeniu się i narastaniu dendrytów. Dzięki temu akumulatory można wielokrotnie ładować i są zaprojektowane na ponad 10 lat.

Urządzenie spełniło wszystkie pola. Został zbudowany z tanich, nietoksycznych i powszechnie dostępnych surowców. I może przechowywać więcej energii niż bateria litowo-jonowa przy znacznie niższych kosztach — potencjalnie nawet za 10 USD za kilowatogodzinę w skali.

Baterie Friesena mogą utrzymywać zasilanie przez 12 godzin lub dłużej podczas długich przerw w zasilaniu. Na obszarach bez dostępu do sieci mogą być ładowane przez panele słoneczne i wykorzystywane do dostarczania energii. Wynalazek skłonił MIT Technology Review do umieszczenia go na liście 2009 TR35, wyróżniającej wybitnych innowatorów poniżej 35. roku życia.

W 2018 roku firma Fluidic Energy została kupiona przez chirurga i przedsiębiorcę medycznego Patricka Soon-Shionga i stała się NantEnergy. Firma twierdzi, że dostarczyła energię 200 000 ludzi na obszarach wiejskich Afryki i powołuje się na projekt demonstracyjny na Madagaskarze, gdzie trzy czwarte populacji nie ma elektryczności. Chociaż jesienią ubiegłego roku zwolniła połowę swoich pracowników, NantEnergy poinformowała, że ​​w zeszłym roku zainstalowała 3000 systemów w dziewięciu krajach i twierdzi, że w sumie zapewniła zasilanie awaryjne na czas ponad miliona godzin przedłużających się przerw w dostawie prądu.

Gdy bateria cynkowo-powietrzna przechodziła z laboratorium na rynek, Friesen pracował już nad swoim kolejnym dużym wyzwaniem. Od 2010 roku chciał opracować urządzenie, które mogłoby wytwarzać czystą wodę tam, gdzie jest ona potrzebna – i wykorzystywać do tego tylko swobodnie dostępne zasoby i energię odnawialną.

Zdał sobie sprawę, że w powietrzu jest dużo wilgoci. Wyzwanie polegało na tym, jak go skutecznie wydobyć i dostarczyć. Do 2014 roku Friesen dopracowywał działający prototyp w swoim laboratorium ASU w Tempe.

Dzisiaj hydropanel Source wygląda jak gruby panel słoneczny o wymiarach osiem stóp na cztery stopy na pięć cali na podstawie ze zbiornikiem; wszyscy powiedzieli, że ma około trzech stóp wysokości i waży około 300 funtów. Urządzenie wykorzystuje wentylatory zasilane energią słoneczną do wciągania powietrza do środka, gdzie para wodna jest adsorbowana na opatentowanym materiale higroskopijnym — osuszaczu, który Friesen zaprojektował w nanoskali, aby zmaksymalizować jego zdolność do przyciągania wody bez uszczerbku dla jego zdolności do uwalniania wody, która gromadzi się na jego powierzchnia. Ciepło wychwycone przez panele słoneczne urządzenia zwiększa prężność pary wodnej, powodując jej uwolnienie przez higroskopijny materiał. Podnosi to specyficzną wilgotność pary wodnej wewnątrz urządzenia, podnosząc punkt rosy powyżej temperatury otoczenia, więc nie ma potrzeby schładzania pary w celu jej skroplenia — nawet w suchym środowisku. Friesen nazywa ten proces pasywną kondensacją. Stamtąd woda zbiera się w 30-litrowym zbiorniku u podstawy urządzenia. Nowa woda jest wielokrotnie w ciągu dnia wciągana i wypuszczana z materiałów higroskopijnych.

Higroskopijny materiał skutecznie przyciąga tylko cząsteczki wody, dzięki czemu połączone procesy adsorpcji i pasywnej kondensacji konsekwentnie dostarczają wodę o wysokiej czystości. Teoretycznie nawet woda zebrana z zanieczyszczonego powietrza jest czysta, mówi Friesen, który dodaje, że potwierdzają to wszystkie dotychczasowe pomiary firmy. Woda w zbiorniku jest regularnie uzdatniana ozonem, aby zapobiec rozwojowi drobnoustrojów, a zanim trafi do dystrybutora, przechodzi przez wkłady wapniowe i magnezowe, aby poprawić jej smak.

Czujniki zasilane energią słoneczną pomagają zoptymalizować działanie hydropanelu, mierząc temperaturę powietrza otoczenia, natężenie nasłonecznienia i wilgotność względną, przekazując te dane do algorytmu, który dynamicznie kontroluje szybkość, z jaką wentylatory wciągają powietrze do urządzenia. Bezprzewodowe nadajniki zasilane energią słoneczną wysyłają również dane na żywo do bazy danych w chmurze, dzięki czemu Zero Mass Water może monitorować wszystkie zainstalowane panele. Centrum operacji sieciowych firmy może zwykle rozwiązywać problemy funkcjonalne za pomocą poleceń i programowania drogą radiową; w przypadku wykrycia problemu z konserwacją centrum może skontaktować się z lokalnymi partnerami, aby go rozwiązać.

Friesen mówi, że końcowym wynikiem badań nie powinna być publikacja. Akademia polega na tworzeniu nowej wiedzy i przekładaniu tej wiedzy na praktyczne zastosowania.

Każdy hydropanel może generować do pięciu litrów wody pitnej dziennie, w zależności od zachmurzenia i wilgotności. W miejscach o ograniczonym nasłonecznieniu lub niskiej wilgotności panele są mniej wydajne. Ale Friesen twierdzi, że dwa urządzenia na dachu jego domu w Arizonie zapewniają wystarczającą ilość wody pitnej dla jego czteroosobowej i dwóch wyżeł weimarskich rodzinie, w miejscu, w którym średnio przez 110 dni panują trzycyfrowe temperatury i ponad siedem miesięcy jednocyfrowa wilgotność. Woda nie może być produkowana w warunkach mrozu, jednak ogranicza to przydatność hydropaneli w klimacie zimowym.

Zero Mass Water rozpoczęło działalność w 2014 roku w byłym salonie Volvo. Pod koniec zeszłego roku pracownicy wieszali znaki nad wejściem do nowej siedziby, schowanego budynku przemysłowego kilka mil na południe w Tempe. Firma pozyskała 65 milionów dolarów kapitału wysokiego ryzyka i zainstalowała panele w 37 krajach, zarówno w dżunglach, jak i na pustyniach. Panele źródłowe dostarczyły wodę do biur rządowych, hoteli, szpitali, szkół i restauracji, a także do obozów syryjskich uchodźców, w Portoryko po huraganie Maria oraz do fundacji dziewcząt w Kenii.

Ale urządzenia są drogie; każdy hydropanel kosztuje 2500 USD, a instalacja dwóch paneli może kosztować nawet 6500 USD. Aby poczynić postępy w realizacji swojej wizji dostarczania wody dla każdej osoby w każdym miejscu, Friesen będzie musiał obniżyć koszty. (Do tej pory wiele instalacji zostało sfinansowanych z dotacji rządowych, fundacji i organizacji pozarządowych). W międzyczasie ogłosił niedawno, że firma wprowadza na rynek półwymiarowe urządzenie, którego powierzchnia jest łatwiejsza do zintegrowania z mieszkalnymi panelami słonecznymi. Potrzeba było dziesięcioleci, aby fotowoltaika dotarła do miejsca, w którym jest teraz, z wydajnością ekonomiczną i wydajnością, mówi. W ciągu zaledwie pięciu lat udało nam się odzwierciedlić ten wzrost i jesteśmy na trajektorii, aby woda ze Źródła była dostępna na znacznie skompresowanej linii czasu.

Zero Mass Water zajmuje obecnie większość czasu Friesena, ale pozostaje on profesorem nadzwyczajnym i starszym naukowcem ds. zrównoważonego rozwoju w instytucie zrównoważonego rozwoju ASU.

Friesen, który służył przez dwie kadencje w Radzie Produkcji Stanów Zjednoczonych za administracji Obamy, otrzymał dotychczas 63 patenty, a jesienią ubiegłego roku zdobył nagrodę Lemelson-MIT za wynalazki. Nagroda w wysokości 500 000 dolarów, która honoruje wynalazców, których praca obiecuje ulepszyć świat, odzwierciedlała jego pracę zarówno nad baterią cynkowo-powietrzną, jak i hydropanelem. Wciąż się szczypię, mówi Friesen, który większość pieniędzy z nagrody przeznacza na instalację swoich hydropaneli w Bahia Hondita, kolumbijskiej wiosce borykającej się z poważnymi niedoborami wody pitnej. Wybrał miejsce instalacji, dzwoniąc do przyjaciela z Conservation International i pytając, w którym miejscu najbardziej potrzebuje pomocy.

Gary Dirks, starszy dyrektor Global Futures Lab ASU, nie jest zaskoczony tym, jak jego kolega wydaje pieniądze z nagród, biorąc pod uwagę, że Friesen ustanowił również stypendia wspierające młodych przedsiębiorców na uniwersytecie. Spotkali się, gdy Friesen testował beta hydropanel, a Dirks zgodził się skierować dotację na projekt. Jest bardzo bystrym seryjnym przedsiębiorcą i seryjnym wynalazcą. To właśnie lubi robić i lubi brać na siebie naprawdę wielkie rzeczy, mówi Dirks, który opisuje Friesena jako człowieka z misją.

Wynikiem końcowym [badań] nie powinna być publikacja, mówi Friesen. Akademia to tworzenie nowej wiedzy oraz o przekładaniu tej wiedzy — jej podróży z laboratorium do praktycznych zastosowań, które mogą poprawić ludzkie życie.

To nie jest dobrze wyćwiczony, wypolerowany sprzedawca, mówi Dirks: Motywują go wielkie problemy świata.

ukryć