Urządzenie wykorzystuje panele materiału adsorbującego wykonane z fumaranu glinu do wychwytywania cząsteczek wody. Źródło: Dan Hixson
Inżynierowie z Utah, finansowani przez armię, opracowali urządzenie, które pobiera wodę z atmosfery nawet w suchych miejscach.
Naukowcy z Uniwersytetu Utah zaprezentowali kompaktowe urządzenie do gromadzenia wody atmosferycznej, które skutecznie pobiera wodę z powietrza w procesie wykorzystującym paliwo, co może złagodzić globalne niedobory wody.
Ziemska atmosfera zawiera ogromną ilość wody, wystarczającą do wypełnienia Wielkiego Jeziora Słonego w Utah 800 razy. Pobieranie części tej wilgoci jest uważane za obiecujące rozwiązanie zapewniające czystą wodę pitną miliardom ludzi na całym świecie borykających się z chronicznymi niedoborami.
Istniejące technologie gromadzenia wody atmosferycznej (AWH) mają wiele wad związanych z rozmiarem, kosztem i wydajnością. Jednak nowe badania przeprowadzone przez inżynierów z Uniwersytetu w Utah dostarczyły spostrzeżeń, które mogą poprawić wydajność i przybliżyć świat o krok do wykorzystania powietrza jako źródła wody kulinarnej w suchych miejscach.
W wyniku badania odsłonięto pierwsze w swoim rodzaju kompaktowe, szybko działające urządzenie AWH opalane paliwem. Według Sameera Rao, starszego autora badania opublikowanego w czasopiśmie, ten dwuetapowy prototyp opiera się na materiałach adsorbujących, które wyciągają cząsteczki wody z niewilgotnego powietrza, a następnie wykorzystują ciepło, aby uwolnić te cząsteczki do postaci płynnej. Raporty komórkowe Nauka fizyczna i adiunkt inżynierii mechanicznej.
„Materiały higroskopijne z natury mają powinowactwo do wody. Wchłaniają wodę, gdziekolwiek się udasz. Jednym z najlepszych przykładów jest zawartość pieluch” – powiedział Rao, który tak się składa, że jest ojcem małego synka. „Pracujemy z określonym rodzajem higroskopijnego materiału zwanego szkieletem metaloorganicznym”.
Inżynierowie mechanicy Nathan Ortiz (po lewej) i profesor Sameer Rao opisują opracowane przez siebie urządzenie, które pobiera świeżą wodę z atmosfery. Źródło: Dan Hixson
Rao porównał metalowo-organiczne konstrukcje do klocków Lego, które można dowolnie układać, tworząc najróżniejsze konstrukcje. W tym przypadku są one ułożone tak, aby utworzyć cząsteczkę idealną do separacji gazów.
„Mogą sprawić, że będzie to specyficzne pochłanianie pary wodnej z powietrza i nic więcej. Są naprawdę wybiórczy” – powiedział Rao. W prototypie, opracowanym wspólnie ze studentem Nathanem Ortizem, głównym autorem badania, zastosowano fumaran aluminium, z którego uformowano panele gromadzące wodę podczas przepuszczania powietrza.
„Same cząsteczki wody zostają uwięzione na powierzchni naszego materiału i jest to proces odwracalny. Dlatego zamiast wryć się w sam materiał, osadza się na ścianach” – powiedział Ortiz. „Wyjątkowość tych materiałów chłonnych polega na tym, że mają one ogromną powierzchnię wewnętrzną. Jest mnóstwo miejsc, w których mogą utknąć cząsteczki wody”.
Według Rao zaledwie gram tego materiału zajmuje powierzchnię równą powierzchni dwóch boisk piłkarskich. Tak więc niewielka ilość materiału może wchłonąć dużo wody.
Szczegóły technologiczne i zastosowania wojskowe
„Cała ta powierzchnia ma skalę molekularną” – powiedział Rao. „To dla nas niesamowite, ponieważ chcemy zatrzymać parę wodną na tej powierzchni w porach tego materiału”.
Pieniądze na badania pochodziły ze środków Fundacji Centrum Żołnierza DEVCOM, program prowadzony przez Departament Obrony w celu ułatwienia transferu technologii wspierających modernizację armii. Zainteresowanie armii projektem wynika z potrzeby zapewnienia żołnierzom odpowiedniego nawodnienia podczas działań w odległych obszarach z niewielką ilością źródeł wody.
„Rozważaliśmy to szczególnie pod kątem zastosowań obronnych, aby żołnierze mieli do dyspozycji małą, kompaktową jednostkę wytwarzającą wodę i nie musieli dźwigać dużej manierki wypełnionej wodą” – powiedział Rao. „To dosłownie produkowałoby wodę na żądanie”.
Rao i Ortiz złożyli wniosek o wstępny patent oparty na tej technologii, który uwzględnia również potrzeby pozamilitarne.
„Myślę, że projektując system, mieliśmy również perspektywę na szerszy problem wody. To nie jest tylko kwestia obronności, to w dużej mierze kwestia cywilna” – powiedział Rao. „Myślimy w kategoriach dziennego zużycia wody przez gospodarstwo domowe na wodę pitną. To około 15 do 20 litrów dziennie.”
W ramach tej weryfikacji koncepcji prototyp osiągnął swój cel, jakim było wytwarzanie 5 litrów wody dziennie na kilogram materiału adsorbującego. Według Ortiza w ciągu trzech dni w terenie urządzenie to przewyższyłoby skuteczność pakowania wody.
W drugim etapie urządzenia woda jest wytrącana w ciecz poprzez ogrzewanie za pomocą standardowej kuchenki kempingowej armii. Działa to ze względu na egzotermiczny charakter procesu gromadzenia wody.
„Zbierając wodę, uwalnia niewielkie ilości ciepła. A następnie, aby to odwrócić, dodajemy ciepło” – powiedział Ortiz. „Po prostu podłożyliśmy tu płomień, cokolwiek, żeby podnieść tę temperaturę. A potem, gdy zwiększamy temperaturę, szybko uwalniamy cząsteczki wody. Gdy mamy naprawdę wilgotny strumień powietrza, kondensacja w temperaturze otoczenia staje się znacznie łatwiejsza”.
Istnieje mnóstwo nowych technologii gromadzenia wody atmosferycznej, co jest łatwiejsze do osiągnięcia, gdy powietrze jest wilgotne, ale żadna z nich nie zaowocowała sprzętem, który można zastosować w praktyce w suchych środowiskach. Ortiz wierzy, że jego urządzenie może być pierwsze, głównie dlatego, że zasilane jest paliwem o dużej gęstości energetycznej, takim jak biała benzyna używana w kuchenkach kempingowych.
Zespół nie zdecydował się na wykorzystanie fotowoltaiki.
„Jeśli korzystasz z paneli słonecznych, jesteś ograniczony do pracy w ciągu dnia lub potrzebujesz baterii, co jest po prostu większą wagą. Ciągle stawiasz wyzwania. Po prostu zajmuje dużo miejsca” – powiedział Ortiz. „Ta technologia sprawdza się najlepiej w suchych warunkach, natomiast chłodzenie najlepiej sprawdza się przy wysokiej wilgotności”.
Odniesienie: „Kompaktowe, szybko działające, opalane paliwem urządzenie do gromadzenia wody atmosferycznej do całodobowej produkcji wody”, autorzy: Nathan P. Ortiz i Sameer R. Rao, 22 lipca 2024 r., Cell Reports Nauki fizyczne.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102115
Badanie zostało sfinansowane przez Laboratorium Badawcze Armii DEVCOM i amerykańską Narodową Fundację Nauki.
