Slimme materialen maken het makkelijker om schoon water uit de lucht te halen

waterdruppels op een glasplaat LUM3N | Unsplash

De wereldbevolking van schoon drinkwater voorzien is een van de grote technische uitdagingen van de 21e eeuw. In sommige landen heeft meer dan de helft van de bevolking geen toegang tot schoon water, en wereldwijd heeft een op de drie mensen geen toegang tot sanitaire voorzieningen waarvoor water cruciaal is.

Dit is een belangrijke oorzaak van diarree en een slechte gezondheid in het algemeen. Volgens sommige schattingen sterven elke dag meer dan 5.000 kinderen als gevolg van diarree-gerelateerde ziekten. Het vinden van manieren om schoon water te produceren is dus een belangrijk doel.

Het probleem is dat de meeste technieken onbetaalbaar zijn voor arme landen. Traditionele benaderingen zoals distillatie, omgekeerde osmose en afvalwaterrecycling zijn energieverslindend en duur. En passieve technieken die afhankelijk zijn van zonne-energie vereisen exotische materialen en zonneconcentratoren, die omvangrijk en duur zijn.

Maar er is een andere techniek die het potentieel heeft om deze deprimerende calculus te veranderen: dauw oogsten. Hierbij wordt lucht gekoeld zodat de daarin aanwezige waterdamp condenseert en opgevangen kan worden. Deze passieve technologie heeft een groot potentieel voor zoetwaterwinning vanwege het feit dat een aanzienlijke hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer wordt opgeslagen, zeggen Minghao Dong en collega's van de Southeast University in Nanjing, China.

Dat roept enkele voor de hand liggende vragen op. Hoeveel water kan er op deze manier worden geoogst? En wat is de beste manier om het te verzamelen?

Vandaag berekenen Minghao en collega's voor het eerst de fundamentele limieten van de technologie voor het oogsten van dauw. Vervolgens beschrijven ze hoe een eenvoudige verandering in conventionele technieken het nut en de opbrengst aanzienlijk zou kunnen verbeteren.

Eerst wat achtergrond. Passieve dauwoogsters bestaan ​​uit een condensor, een dunne, vlakke plaat materiaal die warmte uitstraalt naar de nachtelijke hemel (dauwoogsters werken over het algemeen alleen 's nachts). De condensor is geïsoleerd van de grond, zodat deze geen warmte van onderaf kan opnemen.

Omdat de condensor 's nachts energie uitstraalt, daalt de temperatuur en koelt de lucht er direct naast af. Als de temperatuur van de lucht onder het dauwpunt komt (de temperatuur waarbij de lucht verzadigd is met waterdamp), zal de damp condenseren.

Natuurlijk is de efficiëntie van dit proces gevoelig voor een groot aantal factoren, met name de omgevingstemperatuur van de lucht, de relatieve vochtigheid en de snelheid waarmee de condensor warmte kan uitstralen.

In de loop der jaren hebben natuurkundigen berekend hoeveel water zo'n apparaat kan produceren als de condensor een perfect stralend zwart lichaam is. Maar Minghao en collega's zeggen dat al deze analyses een duidelijk punt missen: ze houden niet goed rekening met de manier waarop echte materialen warmte afgeven of de manier waarop de atmosfeer van de aarde sommige golflengten van licht efficiënter doorlaat dan andere.

Als gevolg hiervan zijn de fundamentele limieten van deze techniek niet goed opgehelderd, waardoor het moeilijk is om de prestaties van de experimenten te evalueren en om te bepalen of deze technologie al dan niet toepasbaar is onder verschillende omstandigheden, met name in relatief droge gebieden, zeggen ze.

Ze hebben deze factoren dus voor het eerst meegenomen. Hierdoor konden ze beoordelen hoe verschillende materialen zullen presteren.

Hun methode is eenvoudig. Minghao en collega's wijzen erop dat de golflengten waarop de atmosfeer van de aarde het meest transparant is, welbekend zijn. Ze zeggen dat het logisch is om een ​​condensor te gebruiken die op deze frequenties uitzendt in plaats van een die over alle golflengten uitzendt. Ze noemen zo'n condensor een selectieve emitter en vergelijken deze met de prestaties van een zwarte emitter

De resultaten springen in het oog. De onderzoekers zeggen dat het afstemmen van de emissiviteit van de condensor op de transmissieve eigenschappen van de atmosfeer aanzienlijke verbeteringen mogelijk maakt. Bij een omgevingstemperatuur van 20 ° C (68 ° F) met een relatieve vochtigheid van 40% kan een zwarte emitter bijvoorbeeld op geen enkele manier water oogsten. Daarentegen kan de selectieve emitter [dauw oogsten met een snelheid van] 13 gram per vierkante meter per uur, zeggen ze.

Dat is een belangrijke bevinding. Het is het verschil tussen 's nachts dauw kunnen oogsten in een plaats als de Mojave-woestijn en helemaal geen water hebben.

De onderzoekers hebben een condensor ontworpen met de benodigde energie-emitterende eigenschappen. Hun ontwerp bestaat uit dunne lagen van drie verschillende materialen op een aluminium basis. Deze gelaagde structuur zendt het beste uit bij de golflengten waarbij de atmosfeer het meest transparant is.

Dat is interessant werk met het potentieel voor brede toepassing. Minghao en collega's zeggen dat het oogsten van dauw gunstig kan zijn in zowel vochtige als droge gebieden: de eerste omvat eilanden en kuststeden die worden omringd door zeewater dat niet drinkbaar is, terwijl de laatste woestijnen omvat die geen enkele vorm van drinkwater hebben.

En de lage kosten van dit soort passief ontwerp zijn ook belangrijk. Deze passieve technologie voor het oogsten van zoet water zou een aanvulling zijn op bestaande technologieën, vooral in landelijke en lage-inkomensgebieden waar de kosten een grote zorg zijn, zeggen ze.

Als het zelfs maar een klein deel van degenen die het nu zonder schoon drinkwater kunnen doen, kan dat een aanzienlijke winst zijn voor de mensheid.

Ten minste één start-up, Nul massa water , probeert al een soortgelijk apparaat te commercialiseren dat water uit de lucht kan halen, terwijl andere wetenschappers hun capaciteiten blijven pushen, waaronder een samenwerking tussen onderzoekers van de University of California, Berkeley en MIT (zie Hoe water uit de lucht te halen , zelfs in de droogste delen van de wereld).

Referentie: arxiv.org/abs/1909.05757 : Fundamentele grenzen van de dauwoogsttechnologie

zich verstoppen