Vatten där du behöver det

Cody Friesen, PhD '04, uppfann paneler som skördar vatten från luften - även i torra Arizona. Och det var efter att han hade kommit på hur man gör uppladdningsbara högenergibatterier som är billiga och miljövänliga. Art Holeman

2018 vandrade Cody Friesen, PhD '04, genom bushen i Kenyas Rift Valley för att förstå farorna som flickorna i Samburu Girls Foundation mötte när de gick ut för att samla vatten.

Varje dag fick flickor som bodde på räddningsorganisationen gå två mil – ofta förbi män som ser dem som egendom – till närmaste vatten i ett land där det senaste decenniet hade präglats av blåsor i torka.

Där, på de leriga stränderna av en flod fylld av kolera, såg Friesen spåren av hyenor och män, påminnelser om vad som kunde vänta någon flicka som dröjde sig kvar.

Scenen var också en påminnelse om att uppskattningsvis 2,2 miljarder människor världen över saknar säkert dricksvatten, inklusive dessa sårbara kenyanska flickor 200 mil norr om Nairobi.

Friesen eliminerade den dagliga vandringen till floden genom att installera en samling av 40 enheter som liknade solpaneler på stiftelsens grund. Han designade enheten, som han kallar Source Hydropanel, för att dra vatten ur luften, endast driven av solenergi. Det löste vattensäkerhetskrisen vid den kenyanska flickfristaden – och Friesen säger att hans enhet kan göra samma sak för människor runt om i världen som saknar tillgång till rent dricksvatten.

Invånare i Bahia Hondita på La Guajira-halvön i Colombia får nu vatten från en mängd Source-hydropaneler istället för att förlita sig på bräckt vatten från ett lokalt borrhål.

NOLL MASSA VATTEN

Friesen blev först intresserad av vatten när han växte upp i dåvarande relativt lantliga förorter sydost om Phoenix. Som barn vandrade vi i öknen, vi vandrade alltid till en vattenmassa som en bäck eller en källa, säger han. Från en tidig ålder var det bara en del av mitt liv att uppskatta vikten och betydelsen av vatten. Han hade också alltid varit nyfiken på hur saker och ting fungerade, den sortens unge som slet isär den nya leksaksbilen på juldagsmorgonen och fick den återmonterad vid lunchtid. Så som tonåring som besökte bestånd av bomullsskogar och naturliga källor på vandringar, skulle han inte bara fundera över värdet av vatten utan också tänka på infrastrukturen som tog det från Coloradofloden till tunnelbanan Phoenix. Han ansåg att det fanns ett bättre alternativ till den befintliga lösningen: dämma upp en av Nordamerikas mäktigaste floder och pumpa dess vatten hundratals mil.

När han började på Arizona State University som grundutbildning, drogs han till materialvetenskap, som han kallar en trifecta av fysik, kemi och maskinteknik. Hans doktorandforskning vid MIT fokuserade på egenskaperna hos tunna metalliska filmer och kvantmekaniken för katalys relaterad till bränsleceller. Efter att ha tagit sin doktorsexamen 2004 återvände han till ASU och började på materialvetenskapsfakulteten vid Ira A. Fulton Schools of Engineering.

I sitt nya labb på ASU riktade han sin uppmärksamhet mot att bygga ett bättre batteri. Inom tre år hade Friesen skapat ett laddningsbart zink-luftbatteri och grundat en startup som heter Fluidic Energy för att kommersialisera det. Han följde det med sin vatten-från-luft-hydropanel och lanserade 2014 sin andra satsning, Zero Mass Water, för att förfina, tillverka och distribuera den.

Friesen beskriver liknande ursprung och upptäcktsvägar för var och en. I båda fallen började han med att försöka förstå och sedan omformulera problem med stora bilder. Han letade sedan efter sätt att ta itu med dem med hjälp av material som var bäst lämpade för de särskilda kemiska och fysikaliska utmaningarna i fråga. Det är ett tillvägagångssätt som han säger ingjutit på MIT, där människor fokuserar på tuffa utmaningar och ständigt funderar på hur man hackar ihop nya lösningar, säger han.

Zink-luftbatteriet hade sin tillkomst när Friesen tittade på det periodiska systemet och frågade vad det billigaste möjliga batteriet skulle vara. Det fick honom att tänka på syre i luften som katod och zinkmetall som anod. Zink-luftbatterier hade funnits i cirka 100 år, men ingen visste hur man laddade dem. De släpper ut energin som lagras i zinken genom att utsätta den för luftens syre, skapa zinkoxid och frigöra elektroner. Men att ladda om batteriet gör att taggiga kristaller, eller dendriter, av zink byggs upp på ytan av anoden, vilket gör det omöjligt att ladda det mer än ett par gånger. För att komma runt dendritproblemet skapade Friesen en lagerställning av nickel med en rad hål i olika storlekar; skikten kännetecknas av olika elektriska egenskaper. Zink pläteras på ställningen, som sedan fungerar som en porös anod, och en blandning av kaliumhydroxid och joniska vätskebaserade tillsatser fungerar som en elektrolyt. När elektrolyten passerar genom anoden under laddning och urladdning, arbetar denna blandning med porerna och den skiktade strukturen för att förhindra att dendriter bildas och byggs upp. Som ett resultat kan batterierna laddas upprepade gånger och är designade för att hålla i mer än 10 år.

Enheten bockade för alla rutor. Den byggdes med billiga, giftfria och rikligt tillgängliga råvaror. Och det kan lagra mer energi än ett litiumjonbatteri till en mycket lägre kostnad - potentiellt för så lite som $10 per kilowattimme i skala.

Friesens batterier kunde hålla strömmen i 12 timmar eller mer under långvariga strömavbrott. I områden utan tillgång till nätet kan de laddas av solpaneler och användas för att ge ström. Uppfinningen fick MIT Technology Review att inkludera honom på 2009 års TR35-lista för att erkänna framstående innovatörer under 35 år.

2018 köptes Fluidic Energy av kirurgen och medicinska entreprenören Patrick Soon-Shiong och blev NantEnergy. Företaget säger att det har levererat ström till 200 000 människor på landsbygden i Afrika och citerar ett demonstrationsprojekt på Madagaskar, där tre fjärdedelar av befolkningen inte har någon elektricitet. Även om NantEnergy sade upp hälften av sin personalstyrka förra hösten, rapporterade NantEnergy att de installerade 3 000 system i nio länder förra året och säger att det totalt sett har tillhandahållit reservkraft under mer än en miljon timmar av förlängda strömavbrott.

När zink-luftbatteriet flyttade från lab till marknad, arbetade Friesen redan på sin nästa stora utmaning. Sedan 2010 hade han velat utveckla en enhet som kunde producera rent vatten där det behövs – och bara använda fritt tillgängliga resurser och förnybar energi för att göra det.

Han insåg att det är mycket fukt i luften. Utmaningen var hur man utvinner och levererar det effektivt. År 2014 finjusterade Friesen en fungerande prototyp i sitt ASU-labb i Tempe.

Idag ser Source-hydropanelen ut som en tjock solpanel som mäter åtta fot gånger fyra fot gånger fem tum ovanpå en bas med en reservoar; allt sagt är den cirka tre fot lång och väger cirka 300 pund. Enheten använder soldrivna fläktar för att dra in luft, där vattenånga adsorberas på ett proprietärt hygroskopiskt material – ett torkmedel som Friesen konstruerade i nanoskala för att maximera sin förmåga att attrahera vatten utan att kompromissa med dess förmåga att släppa ut vattnet som samlas på enheten. yta. Värme som fångas upp av enhetens solvärmepaneler ökar vattnets ångtryck, vilket gör att det hygroskopiska materialet släpper ut det. Detta höjer den specifika luftfuktigheten i vattenångan inuti enheten och höjer daggpunkten över omgivningstemperaturen så att det inte finns något behov av att kyla ångan för att få den att kondensera – även i torra miljöer. Friesen kallar denna process passiv kondensation. Därifrån samlas vattnet i en 30-liters tank vid enhetens bas. Nytt vatten sugs upprepade gånger in i och släpps ut från de hygroskopiska materialen många gånger per dag.

Det hygroskopiska materialet attraherar effektivt endast vattenmolekyler, så de kombinerade processerna av adsorption och passiv kondensering levererar konsekvent vatten av hög renhet. I teorin är även vatten som skördats från förorenad luft rent, säger Friesen, som tillägger att alla företagets mätningar hittills bekräftar det. Vattnet i tanken behandlas regelbundet med ozon för att förhindra tillväxt av mikrober, och innan det når en dispenser passerar det genom kalcium- och magnesiumpatroner för att förbättra dess smak.

Soldrivna sensorer hjälper till att optimera hydropanelens prestanda genom att mäta den omgivande lufttemperaturen, solintensiteten och den relativa luftfuktigheten, och matar in dessa data till en algoritm som dynamiskt styr hastigheten med vilken fläktar drar in luft i enheten. Soldrivna trådlösa sändare skickar också livedata till en molndatabas, vilket gör det möjligt för Zero Mass Water att övervaka alla installerade paneler. Företagets nätverksdriftcenter kan vanligtvis lösa funktionella problem med över-the-air-kommandon och programmering; om ett underhållsproblem upptäcks kan centret koppla in lokala partners för att åtgärda det.

Friesen säger att slutresultatet av forskning inte bör vara en publikation. Akademin handlar om att skapa ny kunskap och omsätta den kunskapen till praktiska tillämpningar.

Varje hydropanel kan generera upp till fem liter dricksvatten om dagen, beroende på molntäcke och luftfuktighet. På platser med begränsat solljus eller låg luftfuktighet är panelerna mindre effektiva. Men Friesen säger att de två enheterna på taket av hans hem i Arizona ger tillräckligt med dricksvatten för hans familj på fyra plus två Weimaraner, på en plats med i genomsnitt 110 dagar med tresiffriga temperaturer och mer än sju månaders ensiffrig luftfuktighet. Vatten kan inte produceras under frysförhållanden, vilket begränsar hydropanelernas användbarhet i vintrigt klimat.

Zero Mass Water började 2014 i en före detta Volvo-återförsäljare. I slutet av förra året hängde arbetare upp skyltar över ingången till ett nytt högkvarter, en undangömd industribyggnad några mil söderut i Tempe. Företaget har samlat in 65 miljoner dollar i riskkapital och har installerat paneler i 37 länder, i både djungler och öknar. Källpaneler har tillhandahållit vatten på regeringskontor, hotell, sjukhus, skolor och restauranger, såväl som i syriska flyktingläger, i Puerto Rico i kölvattnet av orkanen Maria och till flickstiftelsen i Kenya.

Men enheterna är dyra; varje hydropanel kostar 2 500 USD och att installera en array med två kan kosta upp till 6 500 USD. För att göra framsteg mot sin vision om att tillhandahålla vatten till varje person på varje plats, kommer Friesen att behöva få ner kostnaderna. (Hintills har många installationer finansierats av bidrag från regeringar, stiftelser och icke-statliga organisationer.) Under tiden meddelade han nyligen att företaget rullar ut en halvstor enhet med ett fotavtryck som är lättare att integrera med solpaneler för bostäder. Det tog solceller årtionden att komma dit det är nu med ekonomisk och prestandaeffektivitet, säger han. På bara fem år har vi lyckats spegla den tillväxten och är på väg att göra Source-vatten tillgängligt på en avsevärt komprimerad tidslinje.

Zero Mass Water tar upp det mesta av Friesens tid nu för tiden, men han är fortfarande deltidsdocent och senior hållbarhetsforskare vid ASU:s hållbarhetsinstitut.

Friesen, som suttit två mandatperioder i US Manufacturing Council under Obama-administrationen, har hittills beviljats ​​63 patent, och han vann 2019 Lemelson-MIT-priset för uppfinning förra hösten. Priset på $500 000, som hedrar uppfinnare vars arbete lovar att förbättra världen, återspeglade hans arbete med både zink-luftbatteriet och hydropanelen. Jag nyper mig fortfarande, säger Friesen, som använder det mesta av prispengarna för att installera sina hydropaneler i Bahia Hondita, en colombiansk by som står inför en allvarlig dricksvattenbrist. Han valde installationsplatsen genom att ringa en vän på Conservation International och fråga vilken plats som mest behövde hjälp.

Gary Dirks, senior chef för ASU:s Global Futures Lab, är inte förvånad över hur hans kollega spenderar sina prispengar, med tanke på att Friesen också har inrättat stipendier för att stödja unga entreprenörer vid universitetet. De två träffades när Friesen betatestade hydropanelen och Dirks gick med på att styra bidragspengar till projektet. Han är mycket en skarpsinnig serieentreprenör och en serieuppfinnare. Det är det han gillar att göra, och han gillar att ta sig an riktigt stora saker, säger Dirks som beskriver Friesen som en man på uppdrag.

Slutresultatet [av forskning] bör inte vara en publikation, säger Friesen. Akademin handlar om att skapa ny kunskap och om översättningen av den kunskapen – dess resa ut ur labbet och till praktiska tillämpningar som kan förbättra människors liv.

Det är inte den välrepeterade, polerade säljaren som pratar, säger Dirks: Han är motiverad av världens stora problem.

Dölj