Ενέργεια
Συλλογή Ατμοσφαιρικού Νερού – Πώς η Εκμετάλλευση της Βαρύτητας Μπορεί να Προωθήσει αυτήν την Τεχνολογία
Το νερό είναι ίσως ο πιο πολύτιμος πόρος που αντιμετωπίζει ο πλανήτης μας. Παρόλο που καλύπτει το 70 % του πλανήτη, τα γλυκά νερά – το νερό που πίνουμε, κάνουμε μπάνιο ή ποτίζουμε τις καλλιέργειές μας – είναι σπάνια. Μόνο το 3 % του παγκόσμιου νερού είναι γλυκό. Επιπλέον, τα δύο τρίτα αυτού του 3 % βρίσκονται σε παγωμένα παγόβουνα ή δεν είναι διαθέσιμα για χρήση.
Το αποτέλεσμα της έλλειψης νερού αντικατοπτρίζεται παγκοσμίως. Παγκοσμίως, σχεδόν 1,1 δισεκατομμύρια άνθρωποι δεν έχουν πρόσβαση σε νερό. Συνολικά 2,7 δισεκατομμύρια άνθρωποι παγκοσμίως υποφέρουν από έλλειψη νερού για τουλάχιστον ένα μήνα το χρόνο.
Η έλλειψη νερού οδηγεί επίσης σε πολλά άλλα προβλήματα, όπως ανεπαρκή υγιεινή, ένα ζήτημα για 2,4 δισεκατομμύρια ανθρώπους που γίνονται ευάλωτοι και εκτίθενται σε ασθένειες όπως η χολέρα και η τυφοειδής πυρετός, καθώς και σε πολλές άλλες θανατηφόρες διάρροιες ασθένειες.
Η αυξανόμενη πληθυσμιακή πίεση και η συνεχώς διευρυνόμενη ζήτηση για νερό είναι πάντα σε αντίθεση. Όσο πιο πυκνοί γίνονται οι κάτοικοι του πλανήτη, τόσο πιο πιεσμένα γίνονται τα υδρικά του συστήματα.
Τα αυξανόμενα επίπεδα ρύπανσης έχουν επιβληθεί στα ποτάμια, τις λίμνες και τα υπόγεια ύδατα του πλανήτη. Αυτό που φαίνεται ακόμη πιο ανησυχητικό είναι ότι πάνω από το ήμισυ των παγκόσμιων υγροτόπων έχουν εξαφανιστεί.
Αν η επιστημονική κοινότητα δεν εξελιχθεί με το χρόνο και δεν προσφέρει λύσεις για την καταπολέμηση της εξαφάνισης του νερού, τα γεωργικά μας συστήματα δεν θα έχουν αρκετό νερό σύντομα, οδηγώντας σε ανασφάλεια τροφίμων και πολλά άλλα.
Ωστόσο, ευτυχώς, η επιστημονική κοινότητα είναι έτοιμη να αντιμετωπίσει την πρόκληση παγκοσμίως. Σήμερα, θα συζητήσουμε μια τέτοια καινοτόμο λύση στο επόμενο τμήμα και θα εμβαθύνουμε περαιτέρω.
Συσκευή που Αποκτά Νερό από τον Αέρα Χρησιμοποιώντας Μόνο τη Βαρύτητα
Μία ομάδα διεθνών ερευνητών, υπό την ηγεσία του Καθηγητή Qiaoqiang Gan του KAUST, σχεδίασε μια συσκευή που μπορεί ενδεχομένως να λειτουργεί χωρίς ηλεκτρισμό και να εξάγει νερό από τον αέρα με τη βοήθεια μόνο της βαρύτητας. Η συσκευή, ήδη απαλλαγμένη από την ανάγκη για ακριβή παροχή ενέργειας, μπορεί να κατασκευαστεί με φθηνά και άμεσα διαθέσιμα υλικά.
Το ερευνητικό άρθρο, με τίτλο «Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting», στοχεύει στο να κάνει τη συλλογή ατμοσφαιρικού νερού πιο αποδοτική.
Η διαδικασία συλλογής νερού βελτιώνεται σημαντικά με την ακτινική ψύξη. Η ακτινική ψύξη λειτουργεί μειώνοντας σημαντικά τις θερμοκρασίες του συμπυκνωτή κάτω από τις περιβάλλουσες θερμοκρασίες και καθιστώντας δυνατή τη συλλογή ατμοσφαιρικού νερού χωρίς πρόσθετη ενέργεια.
Ένα πρόβλημα που αντιμετωπίζουν τα συστήματα ακτινικής ψύξης είναι η δυσκολία των παραδοσιακών συμπυκνωτών που κοιτούν τον ουρανό να έχουν χαμηλή πυκνότητα ψυκτικού ισχύος, και τα σταγονίδια νερού παραμένουν κολλημένα στην επιφάνεια, απαιτώντας ενεργή συλλογή συμπυκνωμάτων.
Η έρευνα πρότεινε μια λύση σε αυτό το πρόβλημα: μια επίστρωση λιπανισμένης επιφάνειας (LS) —αποτελούμενη από εξαιρετικά κλιμακώσιμο πολυδιμεθυλοσιλοξάνιο ελαστομερές λαδωμένο με σιλικόνη, που εφαρμόζεται στην πλευρά του συμπυκνωτή σε κατακόρυφη διπλή αρχιτεκτονική.
Τα οφέλη του σχεδίου είναι πολλά. Κατ’ αρχάς, διπλασιάζει αποτελεσματικά την τοπική ψυκτική ισχύ.
Δεύτερον, απαλείφει το φαινόμενο «pinning» της γραμμής επαφής, επιτρέποντας παθητική, βαρύτητα‑κατευθυνόμενη συλλογή νερού. Το αποτέλεσμα είναι αυξημένη ικανότητα AWH από ένα δείγμα 0 × 30 cm² σε εξωτερικά περιβάλλοντα, χωρίς τεχνητή ροή υγροποιημένου αέρα.
Ο παθητικός ρυθμός συλλογής νερού της λιπανισμένης επιφάνειας (LS) έφτασε τα 21 g m⁻² h⁻¹, διπλάσιο από αυτόν μιας υπερυδρόφιλης επιφάνειας, 10 g m⁻² h⁻¹. Η απόδοση ήταν ακόμη καλύτερη σε εσωτερικό περιβάλλον, όπου το σύστημα πέτυχε ρυθμό συμπύκνωσης έως 87 % του θεωρητικού ορίου με έως 90 % του συνολικού συμπυκνώματος να συλλέγεται παθητικά.
Οφέλη της Σωστής Συλλογής Ατμοσφαιρικού Νερού
Η ατμόσφαιρα περιέχει έξι φορές περισσότερο νερό από όλο το γλυκό νερό των ποταμών του πλανήτη συνδυασμένα. Σύμφωνα με τον Καθηγητή Gan:
«Αυτό το νερό μπορεί να συλλεχθεί με τεχνολογίες ατμοσφαιρικής συλλογής νερού.»
Και όταν η διαδικασία γίνεται αποδοτικά με τη λύση που περιγράφηκε παραπάνω, γίνεται ακόμη πιο κερδοφόρα για τους υιοθετούντες. Επεξηγώντας τα οφέλη του συστήματος, ο Καθηγητής Dan Daniel, ένας από τους μεταδιδακτορικούς ερευνητές στην ομάδα του Καθηγητή Gan, δήλωσε:
«Το σύστημα δεν καταναλώνει καμία ηλεκτρική ενέργεια, οδηγώντας σε εξοικονόμηση ενέργειας. Επιπλέον, δεν βασίζεται σε μηχανικά μέρη όπως συμπιεστές ή ανεμιστήρες, μειώνοντας τη συντήρηση σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα, με περαιτέρω εξοικονομήσεις.»
Στις παρατηρήσεις του Dan Daniel, ένας άλλος μεταδιδακτορικός ερευνητής της ομάδας, ο Shakeel Ahmad, πρόσθεσε:
«Η επίστρωση μας εξάλειψε αποτελεσματικά το φαινόμενο pinning, επιτρέποντας πραγματική παθητική συλλογή νερού που κινείται από το νερό.»
Συνολικά, το σύστημα βελτιώνει την ποιότητα της ατμοσφαιρικής συλλογής νερού με σημαντικό περιθώριο, καθιστώντας το AWH μια πραγματικά βιώσιμη λύση σε αυτόν τον κόσμο με ολοένα και πιο σπάνιο νερό.
Προόδους στα Συστήματα Συλλογής Ατμοσφαιρικού Νερού
Τον Οκτώβριο του 2023, ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό με τίτλο Energy πραγματοποίησε μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση των τεχνικών, της απόδοσης, των λύσεων ανανεώσιμης ενέργειας και της εφικτότητας σχετικά με τη μέθοδο AWH. Η ανασκόπηση τόνισε τη Συλλογή Ατμοσφαιρικού Νερού ως κάτι που θα μπορούσε να είναι μια τεράστια πηγή γλυκού νερού 12.900 km³.
Ανέφερε:
«Τα συστήματα ατμοσφαιρικής συλλογής νερού έχουν κερδίσει δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια, καθώς προσφέρουν μια βιώσιμη πηγή νερού σε ξηρές περιοχές.»
Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε μερικές από αυτές τις προόδους, συμπεριλαμβανομένων των αποξηραντικών, συμπυκνωτικών, κύκλων ψύξης συμπίεσης ατμού (VCRCs), θερμοηλεκτρικών ψυκτών (TECs), μονάδων κλιματισμού, κυττάρων καυσίμου και ολοκληρωμένων συστημάτων.
Αποξηραντική Συμπύκνωση
Οι τεχνολογίες αποξηραντικής συλλογής νερού αντλούν ενέργεια από ηλιακή, αιολική ή ηλεκτρική πηγή. Οι τεχνολογίες μπορεί να είναι βασισμένες σε συμπιεστή/ψυκτικό ή σε απορροφητικό υλικό.
Οι πρώτοι τύποι λειτουργούν μέσω συμπύκνωσης σημείου δρόσου και παρέχουν μια ψυχρή επιφάνεια πάνω στην οποία ο υδρατμός μπορεί να συμπυκνωθεί, ενώ οι δεύτεροι κορεμούν τον υδρατμό χρησιμοποιώντας έναν απορροφητικό υλικό που στη συνέχεια θερμαίνεται, και ο υπερκορεσμένος υδρατμός συμπυκνώνεται σε μια επιφάνεια όταν έρχεται σε επαφή με πιο δροσερό ατμοσφαιρικό αέρα.
Κύκλοι Ψύξης Συμπίεσης Ατμού (VCRCs)
Αυτή η διαδικασία αναφέρεται σε έναν μηχανισμό όπου ο ατμός συμπιέζεται, στη συνέχεια συμπυκνώνεται με νερό ή αέρα, και επεκτείνεται σε χαμηλή πίεση και αντίστοιχα χαμηλή θερμοκρασία μέσω βαλβίδας ή κινητήρα με λήψη ισχύος.
Θερμοηλεκτρικοί Ψυκτές
Το 2023, η Διεθνής Ένωση Πληροφορικής και Μηχανικής Τεχνολογίας (IIETA) δημοσίευσε μια μελέτη για τη συλλογή ατμοσφαιρικού νερού με χρήση τεχνολογίας θερμοηλεκτρικής ψύξης.
Η μελέτη στόχευε στην εξερεύνηση του δυναμικού του ατμοσφαιρικού αέρα ως εναλλακτική καθαρή πηγή νερού για την αντιμετώπιση της έλλειψης νερού στην Ινδονησία, μια χώρα με μέση ατμοσφαιρική υγρασία 75 %–85 %.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν θερμοηλεκτρικό ψυκτή (TEC 1-12706), ενισχυμένο με ψυγείο και ανεμιστήρα στην θερμή πλευρά του για βελτιωμένη αποβολή θερμότητας. Ένα ψυκτικό πηνίο από χαλκό λειτουργούσε τόσο ως απορροφητής θερμότητας όσο και ως συμπυκνωτής για τον ατμοσφαιρικό αέρα που διέρχεται από αυτό.
Η πηγή ψύξης για το πηνίο (διάμετρος=7,9 mm· μήκος=1000 mm) προήλθε από ένα μπλοκ νερού που ήταν συνδεδεμένο με την ψυχρή πλευρά του ψυκτικού. Οι συνθήκες του πειράματος περιελάμβαναν όλες τις πιθανές περιβαλλοντικές ρυθμίσεις, συμπεριλαμβανομένων του εργαστηρίου, κατοικημένων περιοχών και παραλιακών περιοχών, με μεταβλητό ρυθμό ροής αέρα του ανεμιστήρα ψυγείου.
Δεδομένα συλλέχθηκαν σε εύρος υγρασίας 72,27 %‑83,01 % και τα αποτελέσματα αποκάλυψαν άμεση συσχέτιση μεταξύ του ρυθμού μάζας αέρα του ανεμιστήρα ψυγείου και της ποσότητας νερού που μπορεί να εξαχθεί από τον αέρα.
Το πείραμα προσέφερε επίσης ενδιαφέροντα ευρήματα σχετικά με την επίδραση του τύπου περιβάλλοντος στον όγκο αέρα που εξάγεται, καθώς μπορούσε να εξαχθεί περισσότερο νερό στην ακτή σε σύγκριση με τα εργαστήρια και τις κατοικημένες περιοχές.
Πιο συγκεκριμένα, ο ρυθμός μάζας αέρα ήταν 0,092 kg/s στις παραλιακές περιοχές, και το νερό που μπορούσε να εξαχθεί ήταν 7,75 ml/ώρα. Στο εργαστηριακό περιβάλλον, η απόδοση έπεσε στα 5,5 ml/ώρα, και στις κατοικημένες περιοχές ήταν 4,75 ml/ώρα. Οι ερευνητές κατανόησαν ότι θα μπορούσαν να αυξήσουν την εξαγωγή νερού μεγιστοποιώντας την επαφή μεταξύ του ψυκτικού αέρα και της επιφάνειας του πηνίου.
Μονάδες Κλιματισμού
Τον Ιούνιο του 2024, ένα ερευνητικό άρθρο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, αξιολογώντας την πιθανότητα παραγωγής νερού από συστήματα κλιματισμού ως μη συμβατική πηγή.
Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη εξέτασε τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του συμπυκνωμένου νερού και διερεύνησε την παρουσία βαρέων μετάλλων στα δείγματα συμπυκνωμένου νερού που παράγονται από μονάδες κλιματισμού.
Ο σκοπός της αξιολόγησης ήταν να διασφαλιστεί ότι η ποιότητα του νερού πληροί τα κριτήρια που θέτουν τα Ιορδανικά πρότυπα για πόσιμο νερό και οι οδηγίες του FAO για σκοπούς άρδευσης.
Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στην Ιορδανία, η οποία κατατάσσεται μεταξύ των πιο οικονομικά μειονεκτικών χωρών παγκοσμίως όσον αφορά τους ανανεώσιμους πόρους γλυκού νερού, με περιορισμένη διαθεσιμότητα ανά κάτοικο περίπου 61 κυβικά μέτρα το 2021.
Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν ότι τα δείγματα κυρίως συμμορφώνονταν με τα επιτρεπόμενα όρια που ορίζονται τόσο από τις οδηγίες για πόσιμο νερό (κάτω από 20 °C) όσο και από τα κριτήρια για επεξεργασμένο νερό που χρησιμοποιείται στην άρδευση (κάτω από 25 °C). Η θερμοκρασιακή περιοχή των δειγμάτων κυμαινόταν μεταξύ 16 °C και 20 °C, με μέση τιμή 18 °C, ενώ οι τιμές pH των δειγμάτων συμπυκνωμένου νερού κυμαίνονταν από 7,16 έως 7,25, με μέση τιμή 7,20.
Κύτταρα Καυσίμου
Μια άλλη έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο τελευταίο τεύχος του 2020 του Applied Energy πρότεινε την επαναχρησιμοποίηση του ηλεκτροχημικού νερού του κυττάρου καυσίμου για τον ατμοσφαιρικό παραγωγό νερού με βάση τον κύκλο συμπίεσης ατμού (VCC‑AWG).
Ο μηχανισμός λύσης εκμεταλλεύτηκε τα αέρια καυσαερίων του κυττάρου καυσίμου που εισήλθαν στο VCC‑AWG με υψηλότερη σχετική υγρασία από τον φυσικό ατμοσφαιρικό αέρα, καθώς διέρχονταν από έναν εξωτερικό εναλλάκτη θερμότητας για την απομάκρυνση της ηλεκτροχημικής απορριπτικής θερμότητας.
Οι επιστήμονες πρότειναν ότι η υψηλότερη σχετική υγρασία θα μπορούσε να αυξήσει την απόδοση γλυκού νερού ανά μονάδα ενέργειας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε σχετική υγρασία 0,75, η προσθήκη ενός κυττάρου καυσίμου 2 kW παρήγαγε έως 3 kg/ώρα γλυκού νερού, κάτι που ήταν 50 % υψηλότερο από την περίπτωση χωρίς το κύτταρο καυσίμου.
Με συγκεκριμένη κατανάλωση ενέργειας 200 Wh/kg, το VCC‑AWG θα μπορούσε να ενσωματωθεί με μικρές συμβιβαστικές επιπτώσεις στην ισχύ του κυττάρου καυσίμου.
Ολοκληρωμένα Συστήματα
Τέλος, πολλοί ερευνητές έχουν επίσης προτείνει καινοτόμα ολοκληρωμένα συστήματα που συνδυάζουν τροχούς αποξηραντικού υλικού και ψυκτικού εξατμιστή για την παροχή τόσο ψυχρού αέρα όσο και συμπυκνωμένου νερού.
Πιο σημαντικό, αυτά τα ολοκληρωμένα συστήματα έχουν αποδείξει εξαιρετικές δυνατότητες συλλογής νερού σε ξηρά περιβάλλοντα. Για παράδειγμα, σύμφωνα με δεδομένα από ένα πείραμα, ένα ένα κυβικό μέτρο αποξηραντικού συστήματος θα μπορούσε να παρέχει σε μια οικογένεια στο Κατάρ πάνω από 15 l γλυκού νερού καθημερινά υπό σχετική υγρασία 50‑70 %.
Ενώ οι επιστημονικές κοινότητες σε όλο τον κόσμο έχουν συνεχώς διερευνήσει τις δυνατότητες της ατμοσφαιρικής συλλογής νερού και έχουν ωθήσει τα όριά της, οι εταιρείες έχουν αναπτύξει λύσεις που είναι κατάλληλες για μαζική υιοθέτηση. Στα επόμενα τμήματα, θα ρίξουμε μια σύντομη ματιά σε μερικές από αυτές τις εταιρείες.
#1. Atoco
Πηγή: Atoco
Η τεχνολογία συλλογής νερού της Atoco είναι ικανή να καταγράφει και να παράγει καθαρό νερό από την ατμόσφαιρα, ακόμη και σε ξηρές συνθήκες με σχετική υγρασία κάτω από 20 %.
Όπως η έρευνα με την οποία ξεκινήσαμε τη συζήτηση, η λύση Atoco μπορεί να λειτουργεί σε παθητική λειτουργία χωρίς χρήση ηλεκτρικής ενέργειας, επιτρέποντας λειτουργίες εκτός δικτύου με μηδενικό αποτύπωμα άνθρακα.
Η ποιότητα του νερού που προκύπτει από τη χρήση των καινοτόμων ρετικουλάρ υλικών της Atoco είναι εξαιρετικά καθαρή, δεν απαιτεί πρόσθετο φιλτράρισμα. Συμμορφώνεται πλήρως με τα παγκόσμια πρότυπα, συμπεριλαμβανομένων των προτύπων WHO και EPA για πόσιμο νερό και των προτύπων ποιότητας νερού FAO για γεωργικές χρήσεις.
Ιδρύθηκε από τον Καθ. Omar Yaghi – τον πατέρα της ρετικουλάρ χημείας – η Atoco πιστεύει ότι μπορεί να αντιμετωπίσει τόσο την αιτία όσο και το αποτέλεσμα της κλιματικής αλλαγής και να αντιμετωπίσει τη θέρμανση του πλανήτη και την έλλειψη νερού αναπτύσσοντας βιώσιμες, ανθεκτικές και μετασχηματιστικές λύσεις στον τομέα της ατμοσφαιρικής συλλογής νερού.
#2. Watergen
Η Watergen, μια πρωτοπόρα ισραηλινή εταιρεία και παγκόσιος ηγέτης στην αγορά ατμοσφαιρικών συσκευών πόσιμου νερού (AWG), προσφέρει μηχανήματα που δημιουργούν πόσιμο νερό με τον πιο αποτελεσματικό και οικονομικό δυνατό τρόπο. Οι λύσεις της υπάρχουν σε περισσότερες από 65 χώρες σε όλο τον κόσμο.
Η εμπορική λύση Gen‑L μπορεί να παράγει έως 6 000 λίτρα την ημέρα, ενώ η μικρή λύση Genny προσφέρει 30 λίτρα την ημέρα. Έχει λύσεις για κάθε τύπο ανάγκης μεταξύ αυτών των δύο άκρων.
Το 2022, η Watergen ανακοίνωσε μια στρατηγική κοινοπραξία με την SMV Jaipuria Group με προγραμματισμένη επένδυση άνω των 50 εκατομμυρίων USD τα επόμενα 2‑3 χρόνια για την εισαγωγή προϊόντων τεχνολογίας νερού‑από‑αέρα στην Ινδία.
Τελευταίες Λέξεις
Συνολικά, ο κόσμος είναι έτοιμος να αντιμετωπίσει τις προκλήσεις έλλειψης νερού αξιοποιώντας επιδέξια έναν ακόμη φυσικό πόρο που διαθέτουμε σε αφθονία: τον ατμοσφαιρικό αέρα.
Ωστόσο, απαιτείται περαιτέρω εργασία για να επεκτείνουμε τα όρια μειώνοντας το κόστος παραγωγής και καθιστώντας τις διαδικασίες περιβαλλοντικά βιώσιμες με μηδενική ή ελάχιστη χρήση ενέργειας.
Πολλές από τις χώρες με έλλειψη νερού είναι οικονομίες χαμηλού εισοδήματος. Χρειάζονται λύσεις που είναι προσιτές στις μάζες και εφαρμόσιμες με τον πιο απρόσκοπτο δυνατό τρόπο.
Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς η ηλιακή αποσάλτιση μπορεί να λύσει την έλλειψη νερού.
