Vann der du trenger det

Cody Friesen, PhD

Cody Friesen, PhD '04, oppfant paneler som høster vann fra luften - selv i tørre Arizona. Og det var etter at han hadde funnet ut hvordan han lager oppladbare høyenergibatterier som er billige og miljøvennlige. Art Holeman





I 2018 gikk Cody Friesen, PhD '04, gjennom bushen i Kenyas Rift Valley for å forstå farene jentene i Samburu Girls Foundation møtte da de gikk ut for å samle vann.

Hver dag måtte jenter som bodde ved redningsorganisasjonen gå to mil – ofte forbi menn som ser på dem som eiendom – til nærmeste vann i et land der det siste tiåret hadde vært preget av blærende tørke.

Der, på den gjørmete bredden av en elv full av kolera, så Friesen sporene etter hyener og menn, påminnelser om hva som kan vente enhver jente som dveler.



Scenen var også en påminnelse om at anslagsvis 2,2 milliarder mennesker over hele verden mangler trygt drikkevann, inkludert disse sårbare kenyanske jentene 200 mil nord for Nairobi.

Friesen eliminerte den daglige vandringen til elven ved å installere en rekke 40 enheter som lignet solcellepaneler på stiftelsens eiendom. Han designet enheten, som han kaller Source Hydropanel, for å trekke vann ut av luften, kun drevet av solenergi. Det løste vannsikkerhetskrisen ved det kenyanske jentetilfluktsstedet – og Friesen sier at enheten hans kan gjøre det samme for mennesker rundt om i verden som mangler tilgang til rent drikkevann.

Innbyggere i Bahia Hondita på La Guajira-halvøya i Colombia får nå vann fra en rekke Source-hydropaneler i stedet for å stole på brakkvann fra et lokalt borehull.



NULL MASSE VANN

Friesen ble først interessert i vann under oppveksten i det som da var relativt landlige forsteder sørøst for Phoenix. Som barn på tur i ørkenen, gikk vi alltid til en vannmasse som en bekk eller en kilde, sier han. Fra en tidlig alder var det å sette pris på viktigheten og betydningen av vann bare en del av livet mitt. Han hadde også alltid vært nysgjerrig på hvordan ting fungerte, en type gutt som rev den nye lekebilen i stykker julemorgen og fikk den satt sammen igjen ved lunsjtid. Så som en tenåring som besøkte stativer av bomullsskog og naturlige kilder på fotturer, tenkte han ikke bare på verdien av vann, men tenkte også på infrastrukturen som førte det fra Colorado River til metrostasjonen Phoenix. Han fant ut at det fantes et bedre alternativ til den eksisterende løsningen: demming av en av Nord-Amerikas mektigste elver og pumping av vannet hundrevis av kilometer.

Da han begynte ved Arizona State University som en undergraduate, graviterte han til materialvitenskap, som han kaller en trifecta av fysikk, kjemi og maskinteknikk. Hans doktorgradsforskning ved MIT fokuserte på egenskapene til tynne metalliske filmer og kvantemekanikken til katalyse relatert til brenselceller. Etter å ha oppnådd sin doktorgrad i 2004, returnerte han til ASU, og begynte på materialvitenskapelig fakultet ved Ira A. Fulton Schools of Engineering.

I sin nye lab ved ASU vendte han oppmerksomheten mot å bygge et bedre batteri. I løpet av tre år hadde Friesen laget et oppladbart sink-luft-batteri og grunnla en oppstart kalt Fluidic Energy for å kommersialisere det. Han fulgte det med sitt vann-fra-luft-hydropanel og lanserte i 2014 sin andre satsning, Zero Mass Water, for å foredle, produsere og distribuere det.



Friesen beskriver lignende opphav og oppdagelsesveier for hver. I begge tilfeller begynte han med å prøve å forstå og deretter omformulere store bilder. Deretter lette han etter måter å håndtere dem ved å bruke materialer som var best egnet til de spesielle kjemiske og fysiske utfordringene det dreier seg om. Det er en tilnærming han sier ble innpodet ved MIT, der folk fokuserer på tøffe utfordringer og hele tiden tenker på hvordan de kan hacke sammen nye løsninger, sier han.

Sink-luft-batteriet hadde sin opprinnelse da Friesen så på det periodiske systemet og spurte hva det billigste mulige batteriet ville være. Det fikk ham til å tenke på oksygen i luften som katoden og sinkmetallet som anoden. Sink-luft-batterier hadde eksistert i omtrent 100 år, men ingen visste hvordan de skulle lades opp. De slipper ut energien som er lagret i sinken ved å utsette den for luftens oksygen, skape sinkoksyd og frigjøre elektroner. Men opplading av batteriet fører til at piggete krystaller, eller dendritter, av sink bygges opp på overflaten av anoden, noe som gjør det umulig å lade den opp mer enn noen få ganger. For å omgå dendritproblemet laget Friesen et lagdelt nikkelstillas med en rekke hull i forskjellige størrelser; lagene er preget av ulike elektriske egenskaper. Sink er belagt til stillaset, som deretter fungerer som en porøs anode, og en blanding av kaliumhydroksid og ioniske væskebaserte tilsetningsstoffer fungerer som en elektrolytt. Når elektrolytten passerer gjennom anoden under lading og utlading, arbeider denne blandingen med porene og den lagdelte strukturen for å forhindre at dendritter dannes og bygges opp. Som et resultat kan batteriene lades opp gjentatte ganger og er designet for å vare i mer enn 10 år.

Enheten krysset av i alle boksene. Den ble bygget med billige, giftfrie og rikelig tilgjengelige råvarer. Og det kan lagre mer energi enn et litium-ion-batteri til en mye lavere kostnad - potensielt for så lite som $10 per kilowattime i stor skala.



Friesens batterier kan opprettholde strøm i 12 timer eller mer under lengre strømbrudd. I områder uten tilgang til nettet kan de lades opp av solcellepaneler og brukes til å gi strøm. Oppfinnelsen fikk MIT Technology Review til å inkludere ham på TR35-listen for 2009 og anerkjente fremragende innovatører under 35 år.

I 2018 ble Fluidic Energy kjøpt av kirurgen og medisinsk gründer Patrick Soon-Shiong og ble NantEnergy. Selskapet sier at det har levert strøm til 200 000 mennesker på landsbygda i Afrika og viser til et demonstrasjonsprosjekt på Madagaskar, hvor tre fjerdedeler av befolkningen ikke har strøm. Selv om NantEnergy sa opp halvparten av arbeidsstokken i fjor høst, rapporterte NantEnergy at de installerte 3000 systemer i ni land i fjor, og sier at alt i alt har den levert reservestrøm under mer enn en million timer med utvidede strømbrudd.

Da sink-luft-batteriet flyttet fra laboratorium til marked, var Friesen allerede i gang med sin neste store utfordring. Siden 2010 hadde han ønsket å utvikle en enhet som kunne produsere rent vann der det er nødvendig – og kun bruke fritt tilgjengelige ressurser og fornybar energi for å gjøre det.

Han innså at det er mye fuktighet i luften. Utfordringen var hvordan man kunne hente ut og levere det effektivt. I 2014 finjusterte Friesen en fungerende prototype i ASU-laboratoriet sitt i Tempe.

I dag ser Source-hydropanelet ut som et tykt solcellepanel som måler åtte fot x fire fot x fem tommer på toppen av en base med et reservoar; alt fortalte at den er omtrent tre fot høy og veier omtrent 300 pund. Enheten bruker solcelledrevne vifter for å trekke luft inn, der vanndamp adsorberes på et proprietært hygroskopisk materiale – et tørkemiddel som Friesen konstruerte på nanoskala for å maksimere evnen til å tiltrekke seg vann uten å kompromittere evnen til å frigjøre vannet som samler seg på enheten. flate. Varme som fanges opp av enhetens solvarmepaneler øker damptrykket til vannet, noe som får det hygroskopiske materialet til å frigjøre det. Dette øker den spesifikke fuktigheten til vanndampen inne i enheten, og hever duggpunktet over omgivelsestemperaturen, så det er ikke nødvendig å kjøle ned dampen for å få den til å kondensere – selv i tørre omgivelser. Friesen kaller denne prosessen passiv kondensering. Derfra samles vannet i en 30-liters tank i bunnen av enheten. Nytt vann trekkes gjentatte ganger inn i og frigjøres fra de hygroskopiske materialene mange ganger per dag.

Det hygroskopiske materialet tiltrekker effektivt bare vannmolekyler, så de kombinerte prosessene med adsorpsjon og passiv kondensering leverer konsekvent vann med høy renhet. I teorien er til og med vann høstet fra forurenset luft rent, sier Friesen, som legger til at alle selskapets målinger til nå bekrefter det. Vannet i tanken blir regelmessig behandlet med ozon for å forhindre vekst av mikrober, og før det når en dispenser, passerer det gjennom kalsium- og magnesiumpatroner for å forbedre smaken.

Solcelledrevne sensorer hjelper til med å optimere hydropanelets ytelse ved å måle omgivelseslufttemperaturen, solintensiteten og den relative fuktigheten, og mater disse dataene inn i en algoritme som dynamisk kontrollerer hastigheten som vifter trekker luft inn i enheten med. Solcelledrevne trådløse sendere sender også live data til en skydatabase, noe som gjør det mulig for Zero Mass Water å overvåke alle installerte paneler. Selskapets nettverksdriftsenter kan vanligvis løse funksjonelle problemer med over-the-air kommandoer og programmering; hvis et vedlikeholdsproblem oppdages, kan senteret koble inn lokale partnere for å løse det.

Friesen sier sluttresultatet av forskning ikke bør være en publikasjon. Akademia handler om å skape ny kunnskap og omsette den kunnskapen til praktiske anvendelser.

Hvert hydropanel kan generere opptil fem liter drikkevann om dagen, avhengig av skydekke og fuktighet. På steder med begrenset sollys eller lav luftfuktighet er panelene mindre effektive. Men Friesen sier at de to enhetene på taket av hjemmet hans i Arizona gir nok drikkevann til familien hans på fire pluss to Weimaranere, på et sted med gjennomsnittlig 110 dager med tresifrede temperaturer og mer enn syv måneder med ensifret fuktighet. Vann kan ikke produseres under fryseforhold, men det begrenser hydropanelenes nytte i vinterklima.

Zero Mass Water startet i 2014 i en tidligere Volvo-forhandler. På slutten av fjoråret hang arbeidere skilt over inngangen til et nytt hovedkvarter, en bortgjemt industribygning noen mil sør i Tempe. Selskapet har samlet inn 65 millioner dollar i risikokapital og har installert paneler i 37 land, både i jungler og ørkener. Kildepaneler har gitt vann på offentlige kontorer, hoteller, sykehus, skoler og restauranter, så vel som i syriske flyktningleirer, i Puerto Rico i kjølvannet av orkanen Maria, og til jentestiftelsen i Kenya.

Men enhetene er dyre; hvert hydropanel er $2500, og å installere en rekke av to kan koste opptil $6500. For å gjøre fremskritt mot sin visjon om å skaffe vann til hver person på alle steder, må Friesen få ned kostnadene. (Til dags dato har mange installasjoner blitt finansiert av tilskudd fra regjeringer, stiftelser og frivillige organisasjoner.) I mellomtiden kunngjorde han nylig at selskapet ruller ut en halvstor enhet med et fotavtrykk som er lettere å integrere med solcellepaneler i boliger. Det tok flere tiår å komme dit det er nå med økonomisk og ytelseseffektivitet, sier han. På bare fem år har vi klart å speile denne veksten og er på vei for å gjøre Source-vann tilgjengelig på en betydelig komprimert tidslinje.

Zero Mass Water tar mesteparten av Friesens tid i disse dager, men han er fortsatt deltidslektor og senior bærekraftsforsker ved ASUs bærekraftsinstitutt.

Friesen, som fungerte i to perioder i US Manufacturing Council under Obama-administrasjonen, har fått 63 patenter til dags dato, og han vant 2019 Lemelson-MIT-prisen for oppfinnelse i fjor høst. Prisen på $500 000, som hedrer oppfinnere hvis arbeid lover å forbedre verden, reflekterte arbeidet hans med både sink-luft-batteriet og hydropanelet. Jeg klyper meg fortsatt, sier Friesen, som bruker mesteparten av premiepengene til å installere hydropanelene sine i Bahia Hondita, en colombiansk landsby som står overfor en alvorlig drikkevannsmangel. Han valgte installasjonsstedet ved å ringe en venn ved Conservation International og spørre hvilket sted som trengte hjelp mest.

Gary Dirks, seniordirektøren for ASUs Global Futures Lab, er ikke overrasket over hvordan kollegaen bruker prispengene sine, gitt at Friesen også har opprettet stipend for å støtte unge gründere ved universitetet. De to møttes da Friesen betateste hydropanelet og Dirks gikk med på å styre bevilgningspengene inn i prosjektet. Han er i høy grad en klok seriegründer og en serieoppfinner. Det er det han liker å gjøre, og han liker å ta på seg virkelig store ting, sier Dirks, som beskriver Friesen som en mann på oppdrag.

Sluttresultatet [av forskning] bør ikke være en publikasjon, sier Friesen. Akademia handler om å skape ny kunnskap og om oversettelsen av denne kunnskapen – dens reise ut av laboratoriet og inn i praktiske applikasjoner som kan forbedre folks liv.

Det er ikke den godt innøvde, polerte selgeren som snakker, sier Dirks: Han er motivert av verdens store problemer.

gjemme seg