Η βελτίωση της αποδοτικότητας της ατμοσφαιρικής συλλογής νερού είναι κλειδί σε ξηρές περιοχές

Καθαρό Νερό από Λεπτό Αέρα

Σε πολλές περιοχές του κόσμου, το γλυκό νερό είναι πολύτιμο. Μία επιλογή για πρόσβαση θα μπορούσε να είναι η αφαλάτωση, αλλά μέχρι στιγμής είναι μια πολύ ενεργοβόρα προσέγγιση, ακόμη και αν κάποιες προόδους στην ηλιακή τεχνολογία την έχουν φέρει πιο κοντά στην πραγματικότητα πρόσφατα. Η αφαλάτωση θαλασσινού νερού δεν είναι επίσης μια επιλογή για πολλές ενδοχώραξες ξηρές περιοχές, όπως για παράδειγμα η κεντρική Ασία, η Μογγολία, τα Χιλιεία βουνά ή το μεγαλύτερο μέρος της Σαχάρας.

Μία άλλη επιλογή είναι η σύλληψη του νερού που υπάρχει στον αέρα. Πολλές ερήμους έχουν στην πραγματικότητα σχετικά υψηλή ατμοσφαιρική υγρασία, αλλά για κλιματικούς λόγους δεν σχηματίζουν βροχή και σύννεφα. Αυτό είναι η υπόσχεση της ατμοσφαιρικής συλλογής νερού. Στο παρελθόν καλύψαμε πώς η παθητική ψύξη σε συνδυασμό με μια επικάλυψη πυριτίου θα μπορούσε να ενισχύσει την αποδοτικότητα της συλλογής νερού με βάση τη βαρύτητα.

Οι ερευνητές τώρα προσπαθούν να βελτιώσουν περαιτέρω τη μέθοδο, κυρίως χρησιμοποιώντας νέους τύπους πολυμερών. Επιστήμονες του Osaka Metropolitan University πραγματοποίησαν αυτή την έρευνα, η οποία δημοσιεύτηκε στο ACS ES&T Water υπό τον τίτλο “Υγρό Πολυαιθερικού-Βασισμένο Συλλέκτη Νερού για Λειτουργία σε Σχεδόν Περιβάλλον Θερμοκρασίας μέσω Μεταφοράς Νερού που Προκαλείται από Διαφορά Υδρόφιλων Ιδιοτήτων¹”.

Απορρόφηση Νερού

Μία μέθοδος για τη συλλογή νερού από λεπτό αέρα είναι η χρήση ενός πολυμερούς που μπορεί να «απορροφήσει» το νερό. Απορρόφηση είναι η ικανότητα των στερεών ουσιών να προσελκύουν μόρια αερίων ή διαλυμάτων με τα οποία έρχονται σε επαφή με τις επιφάνειές τους – σε αυτήν την περίπτωση, ατμοί υδρατμών και σταγονίδια νερού που κρέμονται στον αέρα.

Στην καθημερινή ζωή, γνωρίζουμε απορροφητικά υλικά όπως το σιλικόζη γέλη σε εμπορικές συσκευασίες. Αυτή είναι στην πραγματικότητα μια αρκετά αποδοτική διαδικασία, και μπορεί να συλλέξει πολύ νερό από το περιβάλλον.

Πηγή: Osaka Metropolitan University

Το πρόβλημα είναι η απελευθέρωση του νερού από το πολυμερές. Συνήθως απαιτείται θερμότητα περίπου 100°C για την απορρόφηση αυτών των πολυμερών, κάτι που, φυσικά, το καθιστά πολύ ενεργοβόρο και δαπανηρό. Αντίθετα, το νέο πολυμερές που αναπτύχθηκε στο Όσάκα είναι διαφορετικό.

Απορρόφηση σε Χαμηλή Θερμοκρασία

Το πρόβλημα με την απελευθέρωση του νερού από το πολυμερές είναι ότι τα ίδια χαρακτηριστικά που κάνουν ένα πολυμερές καλό απορροφητικό είναι επίσης αυτά που το καθιστούν αδύνατο να το αφήσει, γι’ αυτό απαιτείται υψηλή θερμοκρασία για να συμβεί.

Προηγουμένως, οι ερευνητές προσπάθησαν να αναμείξουν το πολυ(αιθυλενογλυκόλη) (PEG) και το ολιγομερικό πολυ(προπυλενογλυκόλη) (PPG), δημιουργώντας έναν μηχανισμό «μεταφορά νερού που προκαλείται από διαφορά υδρόφιλων ιδιοτήτων (HWT)».

Με απλούστερους όρους, η διαφορά στην απορρόφηση νερού μεταξύ των δύο τύπων πολυμερών δημιούργησε μια πιο αδύναμη ικανότητα να κρατά το απορροφημένο νερό. Αυτό επέτρεψε τη δημιουργία ενός υγρού απορροφητικού υγρασίας που απαιτεί μόνο θερμοκρασία περίπου 35°C / 95°F για να λειτουργήσει.

Ωστόσο, αυτό περιορίζει τη δυνατότητα απορρόφησης νερού του μίγματος, καθιστώντας το λιγότερο παραγωγικό, ακόμη και αν ήταν πολύ λιγότερο ενεργοβόρο.

Συμπυκνωμένο Πολυμερές PEG-PPG

Στο τελευταίο πείραμα, οι ερευνητές προσπάθησαν να αναμείξουν ένα συμπυκνωμένο πολυμερές PEG-PPG με PEG.

Πηγή: ACS Publication

Αυτό το μίγμα ενίσχυσε περαιτέρω το φαινόμενο HWT, οδηγώντας στο καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα:

• Η χαμηλή θερμοκρασία ανάκτησης διατηρήθηκε
• Ο ρυθμός συλλογής νερού ήταν στην πραγματικότητα υψηλότερος από τον PEG μόνο, ο οποίος συνήθως ήταν το στοιχείο που απορρόφησε το νερό καλύτερα.

Το τυχαίο συμπυκνωμένο πολυμερές PEG-PPG παρουσίασε τον υψηλότερο ρυθμό συλλογής νερού, πάνω από αυτόν του PEG. Η βελτιωμένη ανάκτηση νερού προήλθε από το συνεργατικό αποτέλεσμα του HWT και την κατάρρευση των σωματιδίων νερού.

Εφαρμογές

Η χαμηλή θερμοκρασία που απαιτείται για τη συλλογή του νερού και την αναγέννηση του πολυμερούς αλλάζει ριζικά το δυναμικό αυτής της τεχνολογίας. Πρώτον, αφαιρεί την ανάγκη για ενεργοβόρες υψηλές θερμοκρασίες, βελτιώνοντας ριζικά τα οικολογικά χαρακτηριστικά της ιδέας.

“Αναμένεται ότι οι βελτιώσεις σε αυτήν την τεχνολογία θα οδηγήσουν επίσης σε μείωση των αερίων του θερμοκηπίου και πιο αποδοτική χρήση των υδάτινων πόρων. Από τώρα και στο εξής, θα στοχεύσουμε στη βελτίωση του υγρού απορροφητικού υγρασίας και στην αύξηση της αποδοτικότητας ολόκληρου του συστήματος ώστε να γίνει πρακτικό.” Masahide Takahashi – Καθηγητής στο Osaka Metropolitan University

Δεύτερον, επειδή τα 35°C / 95°F είναι πολύ πιο εύκολο να επιτευχθούν, θα μπορούσε να δημιουργηθεί απλώς αξιοποιώντας τον κύκλο ημέρας-νύχτας, ειδικά σε ερημικές περιοχές όπου η ημέρα είναι αρκετά ζεστή, όπως οι περισσότερες έρημοι γύρω από την τροπική ζώνη (Σαχάρα, Μέση Ανατολή, Ινδία, Μεξικό & νοτιοδυτική ΗΠΑ, κ.λπ.).

Πιο ψυχρές περιοχές όπως η Μογγολία θα μπορούσαν να είναι πιο δύσκολες, αλλά ίσως ένας πολύ απλός μεταλλικός καθρέφτης φύλλου να βοηθήσει στην επίτευξη του ορίου των 35°C όταν υπάρχει ήλιος. Αυτό ανοίγει το δρόμο για ένα εντελώς παθητικό σύστημα, που παράγει αυτόματα νερό με πολύ λίγη προσπάθεια.

Η ίδια τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να αναπτυχθεί γρήγορα σε περιοχές που χρειάζονται επειγόντως καθαρό νερό.

“Αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί όχι μόνο στην παροχή νερού σε ξηρές περιοχές και μέρη με περιορισμένους ενεργειακούς πόρους, αλλά και για τη διασφάλιση πρόσβασης σε νερό σε περιόδους καταστροφής και έκτακτης ανάγκης.” Arisa Fukatsu – Αναπληρώτρια καθηγήτρια στο Osaka Metropolitan University

Η περαιτέρω ανάπτυξη θα μπορούσε επίσης να βασιστεί σε αυτήν την έρευνα. Για παράδειγμα, τίποτα δεν αποδεικνύει ότι το μίγμα πολυμερών που ανακαλύφθηκε εδώ είναι ο βέλτιστος συνδυασμός.

Σε θεωρία, πολλά άλλα μίγματα υδρόφιλων και ελαφρώς λιγότερο υδρόφιλων πολυμερών θα μπορούσαν να κάνουν τη δουλειά. Έτσι, τώρα που η αρχή έχει αποδειχθεί, μια συστηματική εξερεύνηση νέων υλικών απορρόφησης νερού θα μπορούσε να βοηθήσει στην περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης, φέρνοντας την τεχνική πιο κοντά στην εμπορική βιωσιμότητα.

Εταιρεία που Λύνει τις Ελλείψεις Νερού

Xylem Inc.

Μαζί με την ευρωπαϊκή Veolia, η Xylem είναι παγκόσμιος ηγέτης στην καθαριότητα του νερού, την επεξεργασία λυμάτων και την αφαλάτωση. Απασχολεί πάνω από 23.000 (από τους οποίους πάνω από 6.000 μηχανικοί) άτομα και λειτουργεί σε 150 χώρες, με έμφαση στις ΗΠΑ, με πάνω από 35.000 άμεσους βιομηχανικούς πελάτες.

Η κύρια αγορά της είναι το δημοτικό πόσιμο νερό και τα λύματα, αλλά παρέχει επίσης εξειδικευμένες λύσεις σε άλλους τομείς όπως υγεία, ενέργεια, τρόφιμα & ποτά, πετρέλαιο & αέριο, μικροηλεκτρονικά κ.λπ.

Πηγή: Xylem

Η Xylem μπορεί να παρέχει τα κρίσιμα πατενταρισμένα εξαρτήματα εξοπλισμού για τον καθαρισμό ή την παραγωγή νερού όπως γεννήτριες όζοντος, λυχνίες UV, μεμβράνες αφαλάτωσης, γεννήτριες υπερ-καθαρής νερού κ.λπ. Αλλά παρέχει επίσης «απλούστερο» εξοπλισμό εξίσου κρίσιμο για λειτουργίες σχετικές με το νερό όπως τουρμπίνες, αντλίες, σωληνώσεις, ένεση, λογισμικό κ.λπ., καθώς και υπηρεσίες συντήρησης, επισκευής και εγκατάστασης.

Πηγή: Xylem

Η αγορά του νερού παραμένει πολύ κατακερματισμένη, με τη Xylem να είναι μία από τις μεγαλύτερες εταιρείες στον κλάδο, αλλά εξακολουθεί να κατέχει «μόνο» μερίδιο αγοράς 10% από την εξυπηρετούμενη διευθυντική αγορά των 80 δισεκατομμυρίων δολαρίων.

Η εταιρεία δαπανά περίπου το 4% των πωλήσεών της στην Έ&Κ. Θα πρέπει να ωφεληθεί από νέους κανονισμούς σχετικά με PFAS (Περι- και πολυφθοροαλκυλικές ουσίες, ή χημικά «για πάντα»), με πάνω από 6.000 εγκαταστάσεις κοινής ωφέλειας που χρειάζονται τέτοια επεξεργασία PFAS.

Η Xylem έχει αυξηθεί σταθερά, με το καθαρό εισόδημα να αυξάνεται από 297 εκατομμύρια δολάρια το 2012 σε 609 εκατομμύρια δολάρια το 2023, διατηρώντας ένα σταθερό περιθώριο EBITDA 17-219%.

Συνολικά, αυτό κάνει το επενδυτικό προφίλ της εταιρείας λιγότερο παρόμοιο με αυτό μιας βιομηχανικής εταιρείας (συχνά κυκλικής) και περισσότερο παρόμοιο με αυτό μιας εταιρείας κοινής ωφέλειας που αναπτύσσεται μαζί με τη συνολική οικονομία ή ελαφρώς πάνω από αυτό το ρυθμό, όπως οι περισσότεροι πελάτες της.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). Υγρό πολυαιθερικού-βασισμένο συλλέκτη νερού για λειτουργία σε σχεδόν περιβάλλον θερμοκρασίας μέσω μεταφοράς νερού που προκαλείται από διαφορά υδρόφιλων ιδιοτήτων. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}