211service.com
Smarta material gör det lättare att dra rent vatten ur luften
vattendroppar på en glasruta LUM3N | Unsplash
Att förse den globala befolkningen med rent dricksvatten är en av 2000-talets stora tekniska utmaningar. I vissa länder saknar mer än hälften av befolkningen tillgång till rent vatten, och globalt har en av tre personer inte tillgång till grundläggande sanitet för vilka vatten är avgörande.
Detta är en betydande orsak till diarré och dålig hälsa i allmänhet. Enligt vissa uppskattningar dör mer än 5 000 barn varje dag till följd av diarrérelaterad sjukdom. Så att hitta sätt att producera rent vatten är ett viktigt mål.
Problemet är att de flesta tekniker är oöverkomligt dyra för fattiga länder. Traditionella metoder som destillation, omvänd osmos och återvinning av avloppsvatten är energikrävande och dyra. Och passiva tekniker som är beroende av solenergi kräver exotiska material och solenergikoncentratorer, som är skrymmande och dyra.
Men det finns en annan teknik som har potential att ändra denna deprimerande kalkyl: daggskörd. Det handlar om att kyla luft så att vattenångan den innehåller kondenseras så att den kan samlas upp. Den här passiva tekniken har stor potential för skörd av färskvatten på grund av det faktum att en betydande mängd vattenånga lagras i atmosfären, säger Minghao Dong och kollegor vid Southeast University i Nanjing, Kina.
Det väcker några uppenbara frågor. Hur mycket vatten kan man skörda på detta sätt? Och vad är det bästa sättet att samla ihop det?
Idag beräknar Minghao och kollegor för första gången de grundläggande gränserna för teknik för daggskörd. De beskriver sedan hur en enkel förändring av konventionella tekniker avsevärt skulle kunna förbättra användbarheten och utbytet.
Först lite bakgrund. Passiva daggskördare består av en kondensor, ett tunt, platt materialark som strålar ut värme till natthimlen (daggskördare arbetar i allmänhet bara på natten). Kondensorn är isolerad från marken så att den inte kan ta upp värme underifrån.
När kondensorn utstrålar energi på natten sjunker dess temperatur, vilket kyler luften omedelbart intill den. Om luftens temperatur sjunker under daggpunkten (den temperatur vid vilken luften är mättad med vattenånga), kommer ångan att kondensera.
Naturligtvis är effektiviteten av denna process känslig för ett brett spektrum av faktorer, särskilt luftens omgivningstemperatur, dess relativa fuktighet och den hastighet med vilken kondensorn kan utstråla värme.
Under årens lopp har fysiker beräknat hur mycket vatten en sådan enhet kan producera när kondensorn är en perfekt strålande svart kropp. Men Minghao och kollegor säger att alla dessa analyser missar en uppenbar poäng: de tar inte ordentligt hänsyn till hur verkliga material avger värme eller för hur jordens atmosfär överför vissa våglängder av ljus mer effektivt än andra.
Som ett resultat har de grundläggande gränserna för denna teknik inte klargjorts ordentligt, vilket gör det svårt att utvärdera experimentens prestanda och att avgöra om denna teknik är tillämpbar under olika förhållanden, särskilt i relativt torra områden, säger de.
Så de har tagit med dessa faktorer för första gången. Detta har gjort det möjligt för dem att bedöma hur olika material kommer att fungera.
Deras metod är okomplicerad. Minghao och kollegor påpekar att de våglängder vid vilka jordens atmosfär är mest transparent är välkända. De säger att det är vettigt att använda en kondensor som sänder ut vid dessa frekvenser snarare än en som sänder ut över alla våglängder. De kallar en sådan kondensor för en selektiv emitter och jämför den med prestanda hos en svart emitter
Resultaten är iögonfallande. Forskarna säger att matchning av kondensorns emissivitet med atmosfärens transmissiva egenskaper gör betydande förbättringar möjliga. Till exempel, vid en omgivningstemperatur på 20 °C (68 °F) med en relativ luftfuktighet på 40 %, kan en svart emitter inte skörda vatten på något sätt. Däremot kunde den selektiva utsändaren [skörda dagg i en hastighet av] 13 gram per kvadratmeter i timmen, säger de.
Det är ett viktigt fynd. Det är skillnaden mellan att kunna skörda dagg på natten på en plats som Mojaveöknen och att inte ha något vatten alls.
Forskarna har konstruerat en kondensor med nödvändiga energiavgivande egenskaper. Deras design består av tunna lager av tre olika material på en aluminiumbas. Denna skiktade struktur avger bäst vid de våglängder där atmosfären är mest transparent.
Det är ett intressant arbete med potential för bred tillämpning. Minghao och kollegor säger att daggskörd kan vara fördelaktigt i både fuktiga och torra områden: De förra inkluderar öar och kuststäder som är omgivna av havsvatten som inte är drickbart, medan de senare inkluderar öknar som saknar någon form av dricksvatten.
Och den låga kostnaden för denna typ av passiv design är också viktig. Denna passiva färskvattenskördteknik skulle komplettera befintlig teknik, särskilt på landsbygden och låginkomstområden där kostnaden är ett stort problem, säger de.
Om det kan ge rent dricksvatten till ens en liten bråkdel av dem som för närvarande saknar, kommer det att vara en betydande vinst för mänskligheten.
Minst en startup, Noll massa vatten , försöker redan kommersialisera en liknande enhet som kan dra vatten från luften medan andra forskare fortsätter att driva på sina möjligheter, inklusive ett samarbete mellan forskare vid University of California, Berkeley och MIT (se Hur man drar vatten ur luften även i de torraste delarna av världen).
Ref: arxiv.org/abs/1909.05757 : Grundläggande gränser för daggskördningstekniken