Ultralydteknologi Superoplader Atmosfærisk Vandopsamling

Rent Vand Fra Tynd Luft: Grundlæggende om Atmosfærisk Vandopsamling

I mange dele af verden er ferskvand en kostbar ressource. En mulighed for adgang kunne være afsaltning, men indtil nu er dette en meget energikrævende metode, selvom nogle fremskridt inden for solenergi for nylig har gjort den tættere på realisering.

Afsaltning af havvand er heller ikke en mulighed for mange indre, tørre regioner, såsom f.eks. Centralasien, Mongoliet, de chilenske bjerge eller størstedelen af Sahara-ørkenen.

En anden mulighed er at opsamle vandet, der er til stede i luften. Mange ørkener har faktisk ret høj atmosfærisk fugtighed, men af klimatiske årsager danner de hverken regn eller skyer.

Dette er løftet om atmosfærisk vandopsamling. Vi har tidligere dækket, hvordan passiv køling kombineret med en silikonebelægning kan øge effektiviteten af tyngdekraftbaseret vandopsamling, og hvordan nye adsorptionspolymerer også kan hjælpe.

Forskere ser nu på yderligere forbedringer af opsamling af atmosfærisk fugt, hvilket bringer os tættere på science‑fiction‑vandsamlingen “windtrap” fra Dune‑universet.

Et MIT‑team, i samarbejde med det tyske firma SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, har brugt ultralyd til at øge effektiviteten af atmosfærisk vandadsorption. De offentliggjorde deres resultater i Nature Communications under titlen “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction”.

Atmosfærisk Vandadsorption Forklaret

En metode til at opsamle vand fra luften er at bruge et polymer, der “adsorberer” vand.

Adsorption er evnen hos faste stoffer, kaldet “sorbenter”, til at tiltrække molekyler fra gasser eller opløsninger, som de er i kontakt med på deres overflader – i dette tilfælde vanddamp i gasform og vanddråber, der er suspenderet i luften.

I hverdagen kender vi adsorberende materialer som silikagel i kommerciel emballage. Dette er faktisk en relativt effektiv proces, og den kan indsamle en stor mængde omgivende vand.

Kilde: Osaka Metropolitan University

Problemet er at få polymeren til at frigive vandet. Normalt kræves en temperatur på omkring 100 °C for at desorbere disse polymerer, hvilket naturligvis gør processen meget energikrævende og dyr.

“Ethvert materiale, der er meget godt til at opsamle vand, ønsker ikke at give vandet fra sig. Så man skal bruge en masse energi og værdifulde timer på at trække vandet ud af materialet.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Selv ved lavere temperaturer med nyere polymerer er problemet, at vandfrigivelsen ved brug af varme er en langsom proces, der tager titusinder af minutter eller timer. Som følge heraf skal de fleste vandadsorptionssystemer opsamle vand om natten og frigive det i løbet af dagen med solens varme.

I modsætning hertil kan brug af ultralyd forkorte vandopsamlingstiden til blot nogle få minutter og kan udføres efter behov.

Ultralyds Potentiale

Ultralyd, eller ultrasoniske bølger, er akustiske trykbølger, der bevæger sig ved frekvenser over 20 kilohertz (20.000 cyklusser per sekund). De anvendes i stigende grad til avancerede anvendelser, såsom bioprintning og strømforsyning af fjernmedicinske enheder.

Det ser ud til, at ultralyd vibrerer ved den helt rette frekvens til at forårsage adskillelsen af vandmolekylerne og det materiale, der har absorberet dem.

Kilde: Nature Communications

Forskerne designede en flad keramisk ring lavet af bly‑zirkonat‑titanat (PZT), som vibrerer, når der påføres spænding.

“Det er som om vandet danser med bølgerne, og denne målrettede forstyrrelse skaber momentum, der frigiver vandmolekylerne, og vi kan se dem ryste ud i dråber.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

For at adsorbere vandet brugte de flere typer af PAM‑LiCl AWH‑hydrogeler med varierende elasticitet, som alle indeholdt lithium‑ og chlorid‑ioner til at fange vandet fra luften.

Kilde: Nature Communications

Da den blev testet, var enheden i stand til at ryste nok vand ud til at tørre hver prøve på blot nogle få minutter.

Undersøgelse af hydrogelene med et elektronmikroskop beviste også, at ultralyd ikke beskadigede gelen, hvilket gør enheden holdbar nok til praktisk brug.

Kilde: Nature Communications

Massiv Effektivitetsforbedring

Fordi den varme‑drevede vandfrigivelse indtil nu kun skete én gang, var procesens effektivitet meget lav, selv med den mest avancerede enhed på kun 9,5 % effektivitet.

I modsætning hertil kan MIT‑systemet producere vand gentagne gange i løbet af dagen, hvilket giver en effektivitet på op til 428 %, eller en 45‑gange stigning i effektivitet.

“Det handler om, hvor meget vand du kan udvinde per dag,” siger hun. “Med ultralyd kan vi hurtigt genvinde vand og cykle igen og igen. Det kan løbe op i meget vand per dag.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Så selvom enheden spildte en smule energi i varme (Joule‑effekten), er den stadig enormt mere effektiv end alle andre vandopsamlingsmetoder, der er udviklet indtil nu.

“Folk har søgt efter måder at høste vand fra atmosfæren på, hvilket kunne være en stor vandkilde, især for ørkenregioner og steder, hvor der ikke engang er saltvand at afsalte.

Nu har vi en måde at hurtigt og effektivt genvinde vand på.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Reel Implementering i Tørre og Fjernliggende Regioner

I første omgang vil den bedste mulige anvendelse af denne enhed være i fjerntliggende ørkenområder med begrænset adgang til både energi og ferskvandsinfrastruktur.

Modsat varmebaseret adsorption vil denne enhed dog kræve elektrisk strøm for at producere ultralyd, så decentraliseret energiproduktion vil være nødvendig, enten med:

• Solpaneler som dem i MIT’s eksperimenter.
• Med vind, som kan fungere om natten, når fugtigheden er endnu højere, hvilket tillader flere 2‑minutters vandopsamlingscyklusser per time.
• Med vedvarende energiproduktion + batterisystemer til at køre 24/7.

Da de testede den ideelle cyklushyppighed, fandt forskerne ud af, at den ideelle rytme er at lade materialet absorbere vand i 1 time, derefter bruge ultralyd til at frigive det på 2 minutter, og gentage cyklussen.

Endnu vigtigere forblev den energi, der kræves for at udtrække vandet med ultralyd, konstant, i stedet for at se et langsomt fald som ved varmebaserede metoder.

Kilde: Nature Communications

Fremtidige Forbedringer i Atmosfærisk Vandopsamling

Næste Generation Sorbentmaterialer

Denne metode brugte lithiumhydrogeler, men mange andre sorbentmaterialer findes: andre hydrogeler, metal‑organiske strukturer, mikro‑ og nanofibermåtter samt kombinationer af disse materialer.

Hver af dem skal genvurderes og redesignes for at forbedre deres kompatibilitet med den alternative udtrækningsmetode.

Modstandsdygtigheden over for nedbrydning af disse andre sorbenter skal også evalueres.

Forbedring af Ultralydseffektivitet

I betragtning af at NASA har udført tests på PZT‑aktuatorer i op til 100 milliarder cyklusser over 580 dage og har ikke påvist nogen mærkbar skade eller væsentligt præstationsfald, forventes den ultralyd‑genererende del af enheden at være meget holdbar.

Dog er designet, der blev brugt i dette eksperiment, relativt ineffektivt til at omdanne strøm til ultralyd, med kun 17 til 19 % effektivitet.

En 1‑3‑komposit piezoelektrisk transducer‑array‑enhed, i stedet for en enkelt ringformet aktuator, kunne nå op på så meget som 35 % effektivitet.

Større PZT‑baseret ultralyd kunne også være meget mere effektiv end den lille eksperimentelle enhed, der er testet her. Så samlet set kunne en effektivitet på 1.000 % eller mere være inden for rækkevidde, når PZT‑materialet kalibreres og forbedres.

Mod Vandgenererende Tårne?

En anden vigtig forbedring er, at ultrasonisk udtræk ikke kræver, at sorbentoverfladen udsættes for sollys. Så enhederne kan stables vertikalt oven på hinanden uden principiel begrænsning i antallet af vertikale rækker.

I stedet for et stort område til at absorbere sollys, kunne store tårne, der ledes vand fra hver stablede enhed, bygges til mere centraliserede designs.

Virksomheder der Løser Vandknaphed

Sammen med den europæiske Veolia er Xylem en global leder inden for vandrensning, spildevandsbehandling og afsaltning. De beskæftiger over 23.000 medarbejdere (hvoraf over 6.000 er ingeniører) og opererer i 150 lande, med fokus på USA, med over 35.000 direkte industrielle kunder.

Deres primære marked er kommunalt drikke- og spildevand, men de leverer også vandrelaterede dedikerede løsninger til andre sektorer som sundhedspleje, energi, fødevarer & drikkevarer, olie & gas, mikroelektronik osv.

Kilde: Xylem

Xylem kan levere de kritiske patenterede udstyrsdeler til at rense eller producere vand, såsom ozongeneratorer, UV‑lamper, afsaltningsmembraner, ultra‑rene vandgeneratorer osv.

Men de leverer også “enklere” udstyr, som er lige så vigtigt for vandrelaterede operationer som turbiner, pumper, rørledninger, injektion, software osv., samt vedligeholdelses-, reparations- og installationsservice, hvilket gør dem til en samlet leverandør for de fleste vandapplikationer.

Kilde: Xylem

Vandmarkedet er stadig meget fragmenteret, med Xylem som en af de største virksomheder i sektoren, men som stadig kun har en markedsandel på “kun” 10 % af deres $80 mia betjente adresserbare marked.

Virksomheden bruger omkring 4 % af sin omsætning på F&U. Den bør drage fordel af nye reguleringer vedrørende PFAS (Per- og polyfluoralkylstoffer, også kendt som evige kemikalier), hvor over 6.000 forsyningsanlæg har brug for sådan PFAS‑behandling.

Xylem har vokset støt, med nettoindkomsten stigende fra $297 mio i 2012 til $609 mio i 2023, mens de har fastholdt en stabil EBITDA‑margin på 17‑19 %.

Samlet set gør dette virksomhedens investeringsprofil mindre som en industriel virksomhed (ofte cyklisk) og mere som en forsyningsvirksomhed, der vokser med den samlede økonomi eller lidt over den hastighed, ligesom de fleste af deres forbrugere.

Seneste Xylem (XYL) Aktienie Nyheder og Udviklinger

Studie Refereret

^{1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. Høj‑effektiv atmosfærisk vandopsamling muliggort ved ultrasonisk udtræk. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2}