Atmosfærisk vandopsamling – Hvordan udnyttelse af tyngdekraften kan fremme denne teknologi

Vand er måske den mest værdifulde ressource, vores planet skal håndtere. På trods af at dække 70 % af vores planet, er ferskvand, det vand vi bruger til at drikke, bade eller vande vores marker, knapt. Kun 3 % af verdens vand er ferskvand. Desuden befinder to‑tredjedele af disse 3 % sig i frosne gletsjere eller er utilgængelige for brug.

Resultatet af vandknaphed er noget, der afspejles verden over. Globalt mangler næsten 1,1 milliarder mennesker adgang til vand. I alt lider 2,7 milliarder mennesker i verden af vandknaphed i mindst en måned om året.

Vandmangel fører også til mange andre problemer, såsom utilstrækkelig sanitet, et problem for 2,4 milliarder mennesker, som bliver sårbare og udsatte for sygdomme som kolera og tyfus samt mange andre dødelige diarrésygdomme.

Den voksende befolkning og den stadigt stigende efterspørgsel efter vand har altid været i konflikt. Jo mere befolket vores planet bliver, desto mere pressede bliver dens vandforsyningssystemer.

Stigende forureningsniveauer har påvirket planetens floder, søer og akviferer. Hvad virker endnu mere bekymrende, er at mere end halvdelen af verdens vådområder er forsvundet. 

Hvis det videnskabelige samfund ikke formår at udvikle sig med tiden og tilbyde løsninger til at bekæmpe truslen fra forsvindende vand, vil vores landbrugssystemer ikke have nok vand snart, hvilket fører til fødevaresikkerhed og meget mere. 

Heldigvis er det videnskabelige samfund klar til udfordringen verden over. I dag vil vi diskutere en sådan banebrydende løsning i det kommende afsnit og derefter dykke dybere. 

Enhed udtrækker vand fra luften ved kun at bruge tyngdekraften

Et hold af internationale forskere, ledet af KAUST Professor Qiaoqiang Gan, har designet en enhed, der kan potentielt køre uden elektricitet og udtrække vand fra luften ved hjælp af intet andet end tyngdekraften. Enheden, som allerede er fri for behovet for en dyr energiforsyning, kan fremstilles af billige og let tilgængelige materialer. 

Eksperimentet, med titlen ‘Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting’, har til formål at gøre atmosfærisk vandopsamling mere effektiv.

Den vandopsamlingsproces forbedres betydeligt ved strålingsafkøling. Strålingsafkøling fungerer ved at sænke kondensortemperaturerne betydeligt under de omgivende niveauer og hvilket gør atmosfærisk vandopsamling mulig uden ekstra energi. 

Et problem, som strålingsafkølingssystemer står over for, er udfordringen med traditionelle himmelvendte kondensatorer med lav køleeffekt tæthed, og vanddråber, der forbliver fastklemt på overfladen, hvilket kræver aktiv kondensatsamling. 

Forskningen har foreslået en løsning på dette problem: en smurt overflade (LS) belægning—bestående af højt skalerbar polydimetylsiloxan elastomer smurt med silikoneolie påført på kondensatorsiden i en vertikal dobbelt‑sidet arkitektur.

Fordelene ved designet er flere. For det første fordobler det effektivt den lokale kølekapacitet. 

For det andet, eliminerer kontaktlinjepinning, hvilket muliggør passiv, tyngdekraftdrevet indsamling af vand. Resultatet er en øget AWH-kapacitet fra en 0 × 30 cm2 prøve i udendørs miljøer, som var uden kunstig strøm af fugtig luft. 

Den passive vandindsamlingsrate for den smurte overflade (LS) belægning nåede 21 g m−2 h−1, dobbelt så meget som på en superhydrofobisk overflade, 10 g m−2 h−1. Ydelsen var endnu bedre i et indendørs miljø, hvor systemet kunne opnå en kondensationsrate på op til 87 % af den teoretiske grænse med op til 90 % af den samlede kondensat passivt indsamlet.

Fordele ved korrekt udført atmosfærisk vandopsamling

Atmosfæren indeholder seks gange mere vand end al jordens floders ferskvand samlet. Ifølge professor Gan:

“Dette vand kan indsamles af atmosfæriske vandopsamlings-teknologier.”

Og når processen udføres effektivt med den ovennævnte løsning, bliver den endnu mere rentabel for dem, der anvender den. Mens han uddyber fordelene ved systemet, sagde professor Dan Daniel, en af postdoktorerne i professor Gans forskningsgruppe, følgende, 

“Systemet forbruger ingen elektricitet, hvilket giver energibesparelser. Desuden er det ikke afhængigt af mekaniske dele som kompressorer eller blæsere, hvilket reducerer vedligeholdelsen i forhold til traditionelle systemer og giver yderligere besparelser.”

Til Dan Daniels observationer tilføjede en anden postdoktor på holdet, Shakeel Ahmad: 

“Vores belægning eliminerede effektivt pinning, hvilket muliggør ægte passiv vandindsamling drevet af vandet.”

Alt i alt forbedrer systemet kvaliteten af atmosfærisk vandopsamling betydeligt, hvilket gør AWH til en ægte blå løsning i denne verden med stadigt knapere vandressourcer.

Klik her for at lære, hvordan solenergi kan gøre mere end blot at levere ren energi.

Fremskridt inden for atmosfærisk vandopsamling

I oktober 2023 blev en artikel offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift med navnet Energy foretog en omfattende gennemgang af teknikker, ydeevne, vedvarende energiløsninger og gennemførlighed relateret til metoden for AWH. Gennemgangen fremhævede atmosfærisk vandopsamling som noget, der kunne være en enorm kilde til ferskvand på 12.900 km3.

Det sagde:

“Atmosfæriske vandopsamlingssystemer har vundet popularitet i de senere år, da de tilbyder en bæredygtig vandkilde i tørre regioner.” 

I de kommende afsnit vil vi se på nogle af disse fremskridt, herunder affugtning, kondensation, dampkompressionskølekredsløb (VCRCs), termoelektriske kølere (TECs), aircondition-enheder, brændselsceller og integrerede systemer.

Affugtende kondensation

Affugtnings-teknologier for vandopsamling henter energi fra sol, vind eller elektriske kilder. Teknologierne kan være kompressor/kølemiddel-baserede eller tørremiddel-baserede.

De første typer fungerer via dugpunktkondensation og leverer en kold overflade, hvor vanddamp kan kondensere, mens de anden typer mætter vanddamp ved hjælp af et sorbent, som derefter opvarmes, og den supersaturerede vanddamp kondensere på en overflade, når den interagerer med køligere omgivende procesluft. 

Dampkompressionskølekredsløb (VCRCs)

Denne proces refererer til en mekanisme, hvor damp komprimeres, derefter kondenseres med vand eller luft, og udvides til lavt tryk og tilsvarende lav temperatur gennem en ventil eller en motor med kraftudtag.

Termoelektriske kølere

I 2023 offentliggjorde International Information and Engineering Technology Association (IIETA) en undersøgelse om opsamling af atmosfærisk vand ved brug af termoelektrisk køleteknologi. 

Undersøgelsen havde til formål at undersøge potentialet i atmosfærisk luft som en alternativ kilde til rent vand for at afbøde vandmangel i Indonesien, et land med en gennemsnitlig atmosfærisk fugtighed på 75 % til 85 %.

Forskerne anvendte en termoelektrisk køler (TEC 1-12706), suppleret med en køleplade og ventilator på den varme side for at forbedre varmeafledningen. En kølekolbe lavet af kobber fungerede både som varmeabsorber og kondensator for den atmosfæriske luft, der passerede igennem den.

Kølekilden til spolen (diameter=7,9 mm; længde=1000 mm) blev afledt fra en vandblok, der var fastgjort til kølerens kolde side. Indstillingerne for eksperimentet omfattede alle mulige miljøindstillinger, herunder laboratorium, boligområde og kystområde, med varierende luftstrømningshastighed for kølepladens ventilator.

Data blev indsamlet over et fugtighedsområde på 72,27 %-83,01 % og resultaterne afslørede en direkte korrelation mellem luftmasstrømningshastigheden for kølepladens ventilator og mængden af vand, der kan udvindes fra luften.

Eksperimentet gav også interessante indsigter i, hvordan miljøtypen påvirker mængden af luft, der udvindes, da der kunne udvindes mere vand ved kysten end i laboratorier og boligområder.

Mere specifikt var luftmasstrømningshastigheden 0,092 kg/s i kystområderne, og vandet, der kunne udvindes, var 7,75 ml/time. I laboratoriemiljøet faldt ydeevnen til 5,5 ml/time, og i boligområder var den 4,75 ml/time. Forskerne indså, at de kunne øge vandudvindingen ved at maksimere kontaktfladen mellem luftkøleren og spoleoverfladen.

Aircondition-enheder

Kilde: Atoco

I juni 2024 blev en forskningsartikel offentliggjort i tidsskriftet Case Studies in Chemical and Environmental Engineering vurderet sandsynligheden for vandproduktion fra aircondition-systemer som en utraditionel forsyningskilde.

Mere specifikt undersøgte studiet de fysiske og kemiske egenskaber ved kondenseret vand og undersøgte forekomsten af tungmetaller i de indsamlede kondensatvandprøver, der blev produceret af aircondition-systemer.

Formålet med evalueringen var at sikre, at vandkvaliteten opfyldte de kriterier, der er fastsat af jordanske standarder for drikkevand og FAO-retningslinjer for vandingsformål.

Undersøgelsen blev udført i Jordan, som rangerede blandt de mest økonomisk udfordrede lande i verden med hensyn til vedvarende ferskvandsressourcer, med en sparsom per capita tilgængelighed på omkring 61 kubikmeter i 2021. 

Testresultaterne indikerede, at prøverne for det meste overholdt de tilladte grænser angivet af både retningslinjerne for drikkevand (under 20 °C) og kriterierne for behandlet vand brugt til vanding (under 25 °C). Temperaturintervallet for prøverne var mellem 16 °C og 20 °C med et gennemsnit på 18 °C, mens pH-værdierne for kondensatvandprøverne varierede fra 7,16 til 7,25 med et gennemsnit på 7,20.

Brændselsceller

En anden undersøgelse, offentliggjort i den december 2020 issue of Applied Energy foreslog at genbruge det elektrokemiske vand fra brændselscellen til den dampkompressionskredsløbsbaserede atmosfæriske vandgenerator (VCC-AWG). 

Løsningsmekanismen udnyttede brændselscellens røggas, der kom ind i VCC-AWG ved en højere relativ fugtighed end naturlig atmosfærisk luft, da den passerede gennem en omgivende varmeveksler for at fjerne den elektrokemiske spildvarme.

Forskere foreslog, at den højere relative fugtighed kunne øge ferskvandsudbyttet pr. energiinvestering. Resultaterne viste, at ved en relativ fugtighed på 0,75, genererede tilføjelsen af en 2 kilowatt brændselscelle op til 3 kg/t ferskvand, hvilket var 50 % højere end uden brændselscellen.

Med et specifikt energiforbrug på 200 Wh/kg kunne VCC-AWG integreres med små ofre for brændselscellens effektoutput.

Integrerede systemer

Endelig har flere forskere også foreslået innovative integrerede systemer, der kombinerer tørremiddelhjul og fordamperkølere for at levere både kølet luft og kondenseret vand.

Mere vigtigt har disse integrerede systemer demonstreret fremragende vandopsamlingskapaciteter i tørre omgivelser. For eksempel, ifølge data indhentet fra et eksperiment, kunne et dehumidifier-system på én kubikmeter levere en qatarsk familie over 15 l ferskvand dagligt ved relative fugtighedsniveauer på 50–70 %.

Mens videnskabelige fællesskaber over hele verden konsekvent har udforsket mulighederne for atmosfærisk vandopsamling og udvidet dens grænser, har virksomheder udviklet løsninger, der er egnet til masseadoption. I de kommende afsnit ser vi kort på et par af sådanne virksomheder. 

#1. Atoco

Kilde: Atoco

Atoco’s water harvesting technology er i stand til at indfange og generere rent vand fra atmosfæren, selv under tørre forhold med relativ fugtighed under 20 %.

Ligesom den forskning, vi startede vores diskussion med, kan Atoco-løsningen fungere i passiv tilstand uden brug af elektricitet, hvilket muliggør off‑grid drift med nul CO₂‑aftryk.

Kvaliteten af vandet, der fremkommer som resultat af Atoco’s brug af nye retikulære materialer, er ekstremt ren og kræver ingen yderligere filtrering. Det overholder fuldt ud globale standarder, herunder WHO‑ og EPA‑standarder for drikkevand samt FAO‑vandkvalitet for landbrugsformål.

Grundlagt af Prof. Omar Yaghi – faderen til retikulær kemi – Atoco mener, at de kan tackle både årsagen og virkningen af klimaændringer og adressere global opvarmning og vandknaphed ved at udvikle bæredygtige, robuste og transformative løsninger inden for området atmosfærisk vandopsamling.

#2. Watergen

Watergen, et banebrydende israelsk firma og en global leder på markedet for atmosfæriske drikkevandsenheder (AWG), tilbyder maskiner, der skaber drikkevand så effektivt og økonomisk som muligt. Deres løsninger er til stede i mere end 65 lande over hele verden. 

Den kommercielle Gen-L løsning kan producere op til 6.000 liter om dagen, mens den lille Genny løsning tilbyder 30 liter om dagen. Den har løsninger til alle typer behov mellem disse to terminaler. 

I 2022 annoncerede Watergen et strategisk joint venture med SMV Jaipuria Group med en planlagt investering på mere end USD 50 million i de næste 2-3 år for at bringe vand‑fra‑luft‑teknologiprodukter til Indien.

Afsluttende ord

Alt i alt, verden er klar til at tage udfordringerne med vandknaphed direkte ved dygtigt at udnytte en anden naturlig ressource, vi har i overflod: den atmosfæriske luft. 

Dog er der mere arbejde, der skal gøres for at udvide grænserne ved at sænke produktionsomkostningerne og gøre processerne miljømæssigt bæredygtige med ingen eller minimal brug af energi. 

Mange af de vandknappe lande er lavindkomstøkonomier. De har brug for at blive leveret løsninger, der er overkommelige for masserne og kan implementeres på den mest problemfri måde. 

Klik her for at lære, hvordan solenergidrevet afsaltning kan løse vandknaphed.