211service.com
Smarte materialer gjør det lettere å trekke rent vann fra luften
vanndråper på en glassrute LUM3N | Unsplash
Å gi den globale befolkningen rent drikkevann er en av de store tekniske utfordringene i det 21. århundre. I noen land mangler mer enn halvparten av befolkningen tilgang til rent vann, og globalt har ikke én av tre personer tilgang til grunnleggende sanitæranlegg som vann er avgjørende for.
Dette er en betydelig årsak til diaré og dårlig helse generelt. Etter noen anslag dør mer enn 5000 barn hver dag som følge av diarérelatert sykdom. Så å finne måter å produsere rent vann på er et viktig mål.
Problemet er at de fleste teknikker er uoverkommelig dyre for fattige land. Tradisjonelle tilnærminger som destillasjon, omvendt osmose og resirkulering av avløpsvann er energikrevende og kostbare. Og passive teknikker som er avhengige av solenergi krever eksotiske materialer og solenergikonsentratorer, som er klumpete og dyre.
Men det er en annen teknikk som har potensial til å endre denne deprimerende beregningen: dugghøsting. Dette innebærer avkjøling av luft slik at vanndampen den inneholder kondenserer slik at den kan samles opp. Denne passive teknologien har et stort potensial for ferskvannshøsting på grunn av det faktum at en betydelig mengde vanndamp er lagret i atmosfæren, sier Minghao Dong og kolleger ved Southeast University i Nanjing, Kina.
Det reiser noen åpenbare spørsmål. Hvor mye vann kan man høste på denne måten? Og hva er den beste måten å samle det på?
I dag beregner Minghao og kolleger de grunnleggende grensene for teknologi for dugghøsting for første gang. De beskriver deretter hvordan en enkel endring av konvensjonelle teknikker kan forbedre nytten og utbyttet betydelig.
Først litt bakgrunn. Passive dugghøstere består av en kondensator, et tynt, flatt ark av materiale som stråler varme til nattehimmelen (dugghøstere fungerer vanligvis bare om natten). Kondensatoren er isolert fra bakken slik at den ikke kan ta opp varme nedenfra.
Når kondensatoren utstråler energi om natten, synker temperaturen, og avkjøler luften rett ved siden av den. Hvis temperaturen på luften faller under duggpunktet (temperaturen hvor luften er mettet med vanndamp), vil dampen kondensere.
Selvsagt er effektiviteten til denne prosessen følsom for et bredt spekter av faktorer, spesielt luftens omgivelsestemperatur, dens relative fuktighet og hastigheten som kondensatoren kan utstråle varme med.
Gjennom årene har fysikere beregnet hvor mye vann en slik enhet kan produsere når kondensatoren er en perfekt utstrålende svart kropp. Men Minghao og kollegene sier at alle disse analysene går glipp av et åpenbart poeng: de tar ikke ordentlig rede for måten virkelige materialer avgir varme eller for måten jordens atmosfære overfører noen bølgelengder av lys mer effektivt enn andre.
Som et resultat har de grunnleggende grensene for denne teknikken ikke blitt ordentlig avklart, noe som gjør det vanskelig å evaluere ytelsen til eksperimentene og å avgjøre om denne teknologien er anvendelig under forskjellige forhold, spesielt i relativt tørre områder, sier de.
Så de har inkludert disse faktorene for første gang. Dette har gitt dem mulighet til å vurdere hvordan ulike materialer vil fungere.
Metoden deres er grei. Minghao og kolleger påpeker at bølgelengdene der jordens atmosfære er mest gjennomsiktig er velkjente. De sier det er fornuftig å bruke en kondensator som sender ut ved disse frekvensene i stedet for en som sender ut over alle bølgelengder. De kaller en slik kondensator en selektiv emitter og sammenligner den med ytelsen til en svart emitter
Resultatene er iøynefallende. Forskerne sier at å matche emissiviteten til kondensatoren med de transmissive egenskapene til atmosfæren gjør betydelige forbedringer mulig. For eksempel, ved en omgivelsestemperatur på 20 °C (68 °F) med en relativ fuktighet på 40 %, kan ikke en svart emitter høste vann på noen måte. I motsetning til dette kunne den selektive emitteren [høste dugg med en hastighet på] 13 gram per kvadratmeter per time, sier de.
Det er et betydelig funn. Det er forskjellen mellom å kunne høste dugg om natten på et sted som Mojave-ørkenen og ikke ha vann i det hele tatt.
Forskerne har designet en kondensator med de nødvendige energiavgivende egenskapene. Designet deres består av tynne lag av tre forskjellige materialer på en aluminiumsbunn. Denne lagdelte strukturen avgir best ved bølgelengdene der atmosfæren er mest gjennomsiktig.
Det er interessant arbeid med potensial for bred anvendelse. Minghao og kolleger sier at dugghøsting kan være fordelaktig i både fuktige og tørre områder: Førstnevnte inkluderer øyer og kystbyer som er omgitt av sjøvann som ikke er drikkevann, mens sistnevnte inkluderer ørkener som mangler noen form for drikkevann.
Og den lave kostnaden for denne typen passiv design er også viktig. Denne passive ferskvannshøstingsteknologien vil utfylle eksisterende teknologier, spesielt i landlige og lavinntektsområder hvor kostnadene er en stor bekymring, sier de.
Hvis det kan gi rent drikkevann til selv en liten brøkdel av de som for øyeblikket er uten, vil det være en betydelig gevinst for menneskeheten.
Minst én oppstart, Null masse vann , prøver allerede å kommersialisere en lignende enhet som kan trekke vann fra luften mens andre forskere fortsetter å presse sine evner, inkludert et samarbeid mellom forskere ved University of California, Berkeley og MIT (se Hvordan trekke vann ut av løse luften , selv i de tørreste delene av kloden).
Ref: arxiv.org/abs/1909.05757 : Grunnleggende grenser for dugghøstingsteknologien