211service.com
Water waar je het nodig hebt
Cody Friesen, PhD '04, vond panelen uit die water uit de lucht halen, zelfs in het droge Arizona. En dat is nadat hij erachter was gekomen hoe hij oplaadbare, energierijke batterijen kon maken die goedkoop en milieuvriendelijk zijn. Art Holeman
In 2018 trok Cody Friesen, PhD '04, door de bush in de Rift Valley in Kenia om de gevaren te begrijpen waarmee de meisjes van de Samburu Girls Foundation te maken kregen toen ze water gingen halen.
Elke dag moesten meisjes die bij de reddingsorganisatie woonden twee mijl lopen - vaak langs mannen die ze als eigendom zien - naar het dichtstbijzijnde water in een land waar het afgelopen decennium was gekenmerkt door verschroeiende droogtes.
Daar, op de modderige oevers van een rivier vol cholera, zag Friesen de sporen van hyena's en mannen, herinneringen aan wat elk meisje te wachten stond dat bleef hangen.
Het tafereel herinnerde er ook aan dat naar schatting 2,2 miljard mensen wereldwijd geen veilig drinkwater hebben, inclusief deze kwetsbare Keniaanse meisjes 200 mijl ten noorden van Nairobi.
Friesen maakte een einde aan die dagelijkse trektocht naar de rivier door een reeks van 40 apparaten te installeren die op zonnepanelen leken op het terrein van de stichting. Hij ontwierp het apparaat, dat hij het Source Hydropanel noemt, om water uit de lucht te halen, alleen aangedreven door zonne-energie. Het loste de waterveiligheidscrisis in het opvangcentrum van Keniaanse meisjes op - en Friesen zegt dat zijn apparaat hetzelfde kan doen voor mensen over de hele wereld die geen toegang hebben tot schoon drinkwater.
Inwoners van Bahia Hondita op het schiereiland La Guajira in Colombia krijgen nu water uit een reeks Source-hydropanelen in plaats van te vertrouwen op brak water uit een lokaal boorgat.
NUL MASSAWATER
Friesen raakte voor het eerst geïnteresseerd in water toen hij opgroeide in de toen relatief landelijke buitenwijken ten zuidoosten van Phoenix. Als een kind dat door de woestijn wandelde, trokken we altijd naar een waterlichaam zoals een beek of een bron, zegt hij. Van jongs af aan was het belang en de betekenis van water slechts een deel van mijn leven. Hij was ook altijd nieuwsgierig geweest naar hoe dingen werkten, het soort kind dat op kerstochtend de nieuwe speelgoedauto uit elkaar haalde en tegen lunchtijd weer in elkaar liet zetten. Dus als een tiener die tijdens wandelingen op stands van populieren en natuurlijke bronnen stuitte, zou hij niet alleen nadenken over de waarde van water, maar ook nadenken over de infrastructuur die het van de Colorado-rivier naar metro Phoenix bracht. Hij dacht dat er een beter alternatief was voor de bestaande oplossing: een van de machtigste rivieren van Noord-Amerika afdammen en het water honderden kilometers verpompen.
Toen hij als student aan de Arizona State University begon, werd hij aangetrokken door materiaalwetenschap, wat hij een trifecta van natuurkunde, scheikunde en werktuigbouwkunde noemt. Zijn promotieonderzoek aan het MIT was gericht op de eigenschappen van dunne metaalfilms en de kwantummechanica van katalyse gerelateerd aan brandstofcellen. Na het behalen van zijn doctoraat in 2004 keerde hij terug naar ASU en trad toe tot de faculteit materiaalwetenschappen van de Ira A. Fulton Schools of Engineering.
In zijn nieuwe lab bij ASU richtte hij zijn aandacht op het bouwen van een betere batterij. Binnen drie jaar had Friesen een oplaadbare zink-luchtbatterij gemaakt en een startup opgericht met de naam Fluidic Energy om deze te commercialiseren. Hij volgde dat met zijn water-uit-lucht hydropanel en in 2014 lanceerde hij zijn tweede onderneming, Zero Mass Water, om het te verfijnen, produceren en distribueren.
Friesen beschrijft voor elk een vergelijkbare oorsprong en ontdekkingsroutes. In beide gevallen begon hij met het begrijpen en herkaderen van grote problemen. Vervolgens zocht hij naar manieren om ze aan te pakken met materialen die het best geschikt waren voor de specifieke chemische en fysische uitdagingen in kwestie. Het is een benadering die volgens hem werd ingeprent bij MIT, waar mensen zich concentreren op moeilijke uitdagingen en constant nadenken over hoe ze nieuwe oplossingen kunnen hacken, zegt hij.
De zink-luchtbatterij vond zijn oorsprong toen Friesen naar het periodiek systeem keek en vroeg wat de goedkoopst mogelijke batterij zou zijn. Dat bracht hem ertoe te denken over zuurstof in de lucht als de kathode en zinkmetaal als de anode. Zink-luchtbatterijen bestonden al zo'n 100 jaar, maar niemand wist hoe ze moesten worden opgeladen. Ze ontladen de energie die is opgeslagen in het zink door het bloot te stellen aan de zuurstof van de lucht, waardoor zinkoxide ontstaat en elektronen vrijkomen. Maar het opladen van de batterij zorgt ervoor dat stekelige kristallen of dendrieten van zink zich ophopen op het oppervlak van de anode, waardoor het onmogelijk wordt om het meer dan een paar keer op te laden. Om het dendrietprobleem te omzeilen, creëerde Friesen een gelaagde nikkelen steiger met een reeks gaten in verschillende maten; de lagen worden gekenmerkt door verschillende elektrische eigenschappen. Zink wordt geplateerd op de steiger, die vervolgens fungeert als een poreuze anode, en een mengsel van kaliumhydroxide en ionische vloeibare additieven dient als elektrolyt. Wanneer de elektrolyt tijdens het laden en ontladen de anode passeert, werkt dit mengsel samen met de poriën en de gelaagde structuur om de vorming en opbouw van dendrieten te voorkomen. Hierdoor kunnen de batterijen herhaaldelijk worden opgeladen en zijn ze ontworpen om meer dan 10 jaar mee te gaan.
Het apparaat heeft alle vakjes aangevinkt. Het werd gebouwd met goedkope, niet-toxische en overvloedig beschikbare grondstoffen. En het zou meer energie kunnen opslaan dan een lithium-ionbatterij tegen veel lagere kosten - mogelijk voor slechts $ 10 per kilowattuur op schaal.
De batterijen van Friesen kunnen tijdens langdurige stroomuitval 12 uur of langer stroom behouden. In gebieden zonder toegang tot het net kunnen ze worden opgeladen door zonnepanelen en worden gebruikt om stroom te leveren. De uitvinding bracht MIT Technology Review ertoe om hem op te nemen op de TR35-lijst van 2009 die uitstekende vernieuwers onder de 35 erkent.
In 2018 werd Fluidic Energy gekocht door chirurg en medisch ondernemer Patrick Soon-Shiong en werd het NantEnergy. Het bedrijf zegt stroom te hebben geleverd aan 200.000 mensen op het Afrikaanse platteland en haalt een demonstratieproject aan in Madagaskar, waar driekwart van de bevolking geen elektriciteit heeft. Hoewel het afgelopen najaar de helft van zijn personeel ontsloeg, meldde NantEnergy dat het vorig jaar 3.000 systemen in negen landen heeft geïnstalleerd en zegt dat het alles bij elkaar heeft gezorgd voor back-upstroom gedurende meer dan een miljoen uur aan langdurige black-outs.
Terwijl de zink-luchtbatterij van laboratorium naar markt ging, was Friesen al bezig met zijn volgende grote uitdaging. Sinds 2010 wilde hij een apparaat ontwikkelen dat schoon water kon produceren waar dat nodig is - en daarvoor alleen vrij beschikbare bronnen en hernieuwbare energie zou gebruiken.
Hij realiseerde zich dat er veel vocht in de lucht zit. De uitdaging was hoe deze efficiënt te extraheren en te leveren. In 2014 was Friesen bezig met het finetunen van een werkend prototype in zijn ASU-lab in Tempe.
Tegenwoordig ziet het Source-hydropaneel eruit als een dik zonnepaneel van tweeënhalf bij vier bij vijf centimeter bovenop een basis met een reservoir; alles bij elkaar genomen is het ongeveer drie voet lang en weegt het ongeveer 300 pond. Het apparaat maakt gebruik van ventilatoren op zonne-energie om lucht naar binnen te trekken, waar waterdamp wordt geadsorbeerd op een gepatenteerd hygroscopisch materiaal - een droogmiddel dat Friesen op nanoschaal heeft ontwikkeld om het vermogen om water aan te trekken te maximaliseren zonder afbreuk te doen aan het vermogen om het water dat zich op zijn oppervlakte. Warmte die wordt opgevangen door de thermische zonnepanelen van het apparaat verhoogt de dampdruk van het water, waardoor het hygroscopische materiaal het vrijgeeft. Dit verhoogt de specifieke vochtigheid van de waterdamp in het apparaat, waardoor het dauwpunt boven de omgevingstemperatuur komt, zodat het niet nodig is om de damp te koelen om deze te laten condenseren, zelfs in droge omgevingen. Friesen noemt dit proces passieve condensatie. Van daaruit verzamelt het water zich in een tank van 30 liter aan de onderkant van het apparaat. Vele malen per dag wordt er herhaaldelijk nieuw water in en uit de hygroscopische materialen gezogen.
Het hygroscopische materiaal trekt effectief alleen watermoleculen aan, zodat de gecombineerde processen van adsorptie en passieve condensatie consequent water van hoge zuiverheid leveren. In theorie is zelfs water uit vervuilde lucht zuiver, zegt Friesen, die eraan toevoegt dat alle metingen van het bedrijf tot nu toe dat bevestigen. Het water in de tank wordt regelmatig behandeld met ozon om de groei van microben te voorkomen, en voordat het een dispenser bereikt, gaat het door calcium- en magnesiumpatronen om de smaak te verbeteren.
Sensoren op zonne-energie helpen de prestaties van het hydropaneel te optimaliseren door de temperatuur van de omgevingslucht, de intensiteit van de zon en de relatieve vochtigheid te meten en die gegevens in te voeren in een algoritme dat dynamisch de snelheid regelt waarmee ventilatoren lucht in het apparaat zuigen. Draadloze zenders op zonne-energie sturen ook live gegevens naar een clouddatabase, waardoor Zero Mass Water alle geïnstalleerde panelen kan bewaken. Het netwerkverwerkingscentrum van het bedrijf kan meestal functionele problemen oplossen met over-the-air commando's en programmering; als er een onderhoudsprobleem wordt gedetecteerd, kan het centrum lokale partners inschakelen om het aan te pakken.
Friesen vindt dat het eindresultaat van onderzoek geen publicatie mag zijn. Academia gaat over het creëren van nieuwe kennis en het vertalen van die kennis naar praktische toepassingen.
Elk hydropanel kan tot vijf liter drinkwater per dag genereren, afhankelijk van de bewolking en vochtigheid. Op locaties met weinig zonlicht of een lage luchtvochtigheid zijn de panelen minder efficiënt. Maar Friesen zegt dat de twee units op het dak van zijn huis in Arizona voldoende drinkwater leveren voor zijn gezin van vier plus twee Weimaraners, op een plaats met gemiddeld 110 dagen met driecijferige temperaturen en meer dan zeven maanden een enkelcijferige vochtigheid. Water kan echter niet worden geproduceerd in vriesomstandigheden, waardoor de bruikbaarheid van de hydropanelen in winterse klimaten wordt beperkt.
Zero Mass Water begon in 2014 in een voormalige Volvo-dealer. Eind vorig jaar hingen arbeiders borden boven de ingang van een nieuw hoofdkantoor, een weggestopt industrieel gebouw een paar kilometer naar het zuiden in Tempe. Het bedrijf heeft $65 miljoen aan durfkapitaal opgehaald en heeft panelen geïnstalleerd in 37 landen, zowel in oerwouden als in woestijnen. Bronpanelen hebben gezorgd voor water in overheidsgebouwen, hotels, ziekenhuizen, scholen en restaurants, evenals in Syrische vluchtelingenkampen, in Puerto Rico na orkaan Maria, en voor de meisjesstichting in Kenia.
Maar de apparaten zijn duur; elk hydropaneel kost $ 2.500, en het installeren van een reeks van twee kan tot $ 6.500 kosten. Om vooruitgang te boeken in de richting van zijn visie om iedereen overal van water te voorzien, zal Friesen de kosten omlaag moeten brengen. (Tot op heden zijn veel installaties gefinancierd met subsidies van overheden, stichtingen en ngo's.) In de tussentijd kondigde hij onlangs aan dat het bedrijf een eenheid van halve grootte uitrolt met een voetafdruk die gemakkelijker te integreren is met residentiële zonnepanelen. Het kostte zonne-PV tientallen jaren om te komen waar het nu is met economische en prestatie-efficiëntie, zegt hij. In slechts vijf jaar zijn we erin geslaagd om die groei te evenaren en zijn we op weg om Bronwater toegankelijk te maken op een aanzienlijk gecomprimeerde tijdlijn.
Zero Mass Water neemt tegenwoordig het grootste deel van Friesens tijd in beslag, maar hij blijft parttime universitair hoofddocent en senior duurzaamheidswetenschapper bij het duurzaamheidsinstituut van ASU.
Friesen, die tijdens de regering-Obama twee termijnen in de US Manufacturing Council heeft gediend, heeft tot nu toe 63 patenten gekregen en afgelopen herfst won hij de Lemelson-MIT-prijs 2019 voor uitvindingen. De prijs van $ 500.000, die uitvinders eert wiens werk belooft de wereld te verbeteren, weerspiegelde zijn werk aan zowel de zink-luchtbatterij als het hydropaneel. Ik knijp mezelf nog steeds, zegt Friesen, die het grootste deel van het prijzengeld gebruikt om zijn hydropanelen te installeren in Bahia Hondita, een Colombiaans dorp met een ernstig drinkwatertekort. Hij koos de installatieplaats uit door een vriend van Conservation International te bellen en te vragen welke plaats de meeste hulp nodig had.
Gary Dirks, senior directeur van ASU's Global Futures Lab, is niet verbaasd over de besteding van zijn prijzengeld door zijn collega, aangezien Friesen ook beurzen heeft opgezet om jonge ondernemers aan de universiteit te ondersteunen. De twee ontmoetten elkaar toen Friesen het hydropanel aan het beta-testen was en Dirks ermee instemde om subsidiegeld in het project te sturen. Hij is een scherpzinnige serie-ondernemer en een serie-uitvinder. Dat is wat hij graag doet, en hij houdt ervan om echt grote dingen op zich te nemen, zegt Dirks, die Friesen omschrijft als een man met een missie.
Het eindresultaat [van onderzoek] mag geen publicatie zijn, zegt Friesen. Academia gaat over het creëren van nieuwe kennis en over de vertaling van die kennis - de reis uit het laboratorium naar praktische toepassingen die het leven van mensen kunnen verbeteren.
Dat is niet de ingestudeerde, gepolijste verkoper die praat, zegt Dirks: hij wordt gedreven door de grote problemen van de wereld.