Τεχνολογία Υπερήχων Ενισχύει τη Συλλογή Ατμοσφαιρικού Νερού

Καθαρό Νερό από Λεπτή Ατμόσφαιρα: Βασικές Αρχές Συλλογής Ατμοσφαιρικού Νερού

Σε πολλές περιοχές του κόσμου, το γλυκό νερό είναι πολύτιμο. Μία επιλογή για πρόσβαση θα μπορούσε να είναι η αποξήρανση, αλλά μέχρι τώρα αποτελεί μια πολύ ενεργοβόρα προσέγγιση, ακόμη και αν πρόσφατες προόδους στην ηλιακή τεχνολογία την έχουν φέρει πιο κοντά στην πραγματικότητα.

Η αποξήρανση θαλασσινού νερού επίσης δεν είναι επιλογή για πολλές εσωτερικές ξηρές περιοχές, όπως, για παράδειγμα, η κεντρική Ασία, η Μογγολία, τα Χιλιεία βουνά της Χιλής ή το μεγαλύτερο μέρος της Σαχάρας.

Μία άλλη επιλογή είναι η σύλληψη του νερού που υπάρχει στον αέρα. Πολλές έρημοι στην πραγματικότητα έχουν σχετικά υψηλή ατμοσφαιρική υγρασία, αλλά για κλιματικούς λόγους δεν σχηματίζουν βροχή και σύννεφα.

Αυτή είναι η υπόσχεση της συλλογής ατμοσφαιρικού νερού. Προηγουμένως καλύψαμε πώς η παθητική ψύξη σε συνδυασμό με επίστρωση πυριτίου θα μπορούσε να αυξήσει την αποδοτικότητα της συλλογής νερού με βάση τη βαρύτητα και πώς νέα πολυμερή απορρόφησης θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν.

Οι ερευνητές τώρα εξετάζουν περαιτέρω βελτιώσεις στη συλλογή ατμοσφαιρικής υγρασίας, φέρνοντάς μας πιο κοντά στη φανταστική συλλογή νερού «windtrap» του σύμπαντος Dune.

Μία ομάδα του MIT, σε συνεργασία με τη γερμανική εταιρεία SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, χρησιμοποίησε υπερήχους για να ενισχύσει την αποδοτικότητα της ατμοσφαιρικής απορρόφησης νερού. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο Nature Communications, με τίτλο «Υψηλής αποδοτικότητας συλλογή ατμοσφαιρικού νερού με υπερηχητική εξαγωγή».

Απόδοση Ατμοσφαιρικής Απορρόφησης Νερού Εξηγμένη

Μία μέθοδος συλλογής νερού από τον αέρα είναι η χρήση ενός πολυμερούς που «απορροφά» νερό.

Η απορρόφηση είναι η ικανότητα των στερεών ουσιών, που ονομάζονται «σώσιμα», να προσελκύουν μόρια αερίων ή διαλυμάτων με τα οποία έρχονται σε επαφή στην επιφάνειά 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. Πρόκειται στην πραγματικότητα για μια σχετικά 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 ενεργο-αναποτελεσματικό και δαπανηρό.

«Οποιοδήποτε υλικό είναι πολύ καλό στο σύλληψη νερού δεν θέλει να το απελευθερώσει. Έτσι χρειάζεται να επενδύσετε πολύ ενέργεια και πολύτιμες ώρες για να εξάγετε το νερό από το υλικό.»
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Ακόμη και σε χαμηλότερη θερμοκρασία με νέα πολυμερή υπάρχει το πρόβλημα ότι η απελευθέρωση του νερού με τη χρήση θερμότητας είναι αργή διαδικασία, που διαρκεί δεκάδες λεπτά ή ώρες. Ως αποτέλεσμα, τα περισσότερα συστήματα απορρόφησης νερού πρέπει να συλλέγουν το νερό τη νύχτα και να το απελευθερώνουν κατά τη διάρκεια της ημέρας με τη θερμότητα του ήλιου.

Αντίθετα, η χρήση υπερήχων θα μπορούσε να μειώσει τον χρόνο συλλογής νερού σε λίγα μόνο λεπτά και να γίνεται κατ’ απαίτηση.

Δυνατότητα των Υπερήχων

Οι υπέρηχοι, ή υπερηχητικά κύματα, είναι ηχητικά κύματα πίεσης που ταξιδεύουν σε συχνότητες άνω των 20 χιλιοστών (20.000 κύκλοι ανά δευτερόλεπτο). Χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για προηγμένες εφαρμογές, όπως η βιοεκτύπωση και η τροφοδοσία απομακρυσμένων ιατρικών συσκευών.

Φαίνεται ότι οι υπέρηχοι δονείται στη σωστή συχνότητα ώστε να προκαλέσει το διαχωρισμό των μορίων νερού από το υλικό που τα απορρόφησε.

Πηγή: Nature Communications

Οι ερευνητές σχεδίασαν ένα επίπεδο κεραμικό δακτύλιο από μολύβδου ζιρκονατέτου τιτανίου (PZT), που δονείται όταν εφαρμόζεται τάση.

«Είναι σαν το νερό να χορεύει με τα κύματα, και αυτή η στοχευμένη διαταραχή δημιουργεί ορμή που απελευθερώνει τα μόρια νερού, και μπορούμε να τα δούμε να τρέμουν σε σταγονίδια.»
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Για την απορρόφηση του νερού, χρησιμοποίησαν διάφορους τύπους υδρογέλων PAM-LiCl AWH με διαφορετική ελαστικότητα, που όλα ενσωμάτωσαν ιόντα λιθίου και χλωρίου για τη σύλληψη του νερού από τον αέρα.

Πηγή: Nature Communications

Όταν δοκιμάστηκε, η συσκευή κατάφερε να εκτοπίσει αρκετό νερό ώστε να στεγνώσει κάθε δείγμα σε λίγα μόνο λεπτά.

Η επιθεώρηση των υδρογέλων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο απέδειξε επίσης ότι οι υπέρηχοι δεν κατέστρεψαν το γέλη, καθιστώντας αυτή τη συσκευή αρκετά ανθεκτική για πρακτική χρήση.

Πηγή: Nature Communications

Τεράστια Βελτίωση Αποδοτικότητας

Επειδή μέχρι τώρα η απελευθέρωση νερού με θερμότητα συνέβαινε μόνο μία φορά, η αποδοτικότητα της διαδικασίας ήταν πολύ χαμηλή, με ακόμη και τη σύγχρονη συσκευή να φθάνει μόλις 9,5% αποδοτικότητα.

Αντίθετα, το σύστημα του MIT μπορεί να παράγει νερό επανειλημμένα κατά τη διάρκεια της ημέρας, οδηγώντας σε αποδοτικότητα έως 428%, ή αύξηση 45 φορές.

«Πρόκειται για το πόσο νερό μπορείτε να εξάγετε ανά ημέρα», λέει. «Με τους υπερήχους, μπορούμε να ανακτήσουμε νερό γρήγορα και να επαναλάβουμε τον κύκλο ξανά και ξανά. Αυτό μπορεί να προσθέσει πολύ ανά ημέρα.»
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Έτσι, ενώ η συσκευή σπαταλούσε λίγη ενέργεια σε θερμότητα (φαινόμενο Joule), παραμένει εξαιρετικά πιο αποδοτική από όλες τις άλλες μεθόδους συλλογής νερού που έχουν αναπτυχθεί μέχρι τώρα.

Σύρετε για κύλιση →

«Οι άνθρωποι έχουν αναζητήσει τρόπους για τη συλλογή νερού από την ατμόσφαιρα, που θα μπορούσε να είναι μια μεγάλη πηγή νερού, ιδιαίτερα για τις έρημες περιοχές και μέρη όπου δεν υπάρχει ούτε αλμυρό νερό για αποξήρανση.

Τώρα έχουμε έναν τρόπο να ανακτήσουμε νερό γρήγορα και αποδοτικά.»
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Πραγματική Εφαρμογή σε Ξηρές και Απομακρυσμένες Περιοχές

Αρχικά, η καλύτερη δυνατή εφαρμογή αυτής της συσκευής θα είναι για απομακρυσμένες ερημικές περιοχές με περιορισμένη πρόσβαση τόσο στην ενέργεια όσο και στην υποδομή γλυκού νερού.

Αντίθετα με την απορρόφηση που βασίζεται στη θερμότητα, αυτή η συσκευή θα χρειάζεται ηλεκτρική ενέργεια για τη δημιουργία των υπερήχων, έτσι θα απαιτηθεί αποκεντρωμένη παραγωγή ενέργειας, είτε με:

• Ηλιακούς πίνακες όπως αυτούς στα πειράματα του MIT.
• Με αέρα, που θα μπορούσε να λειτουργεί τη νύχτα, όταν η υγρασία είναι ακόμη υψηλότερη, επιτρέποντας περισσότερους 2‑λεπτους κύκλους συλλογής νερού ανά ώρα.
• Με παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας + συστήματα μπαταριών για λειτουργία 24/7.

Κατά τη δοκιμή της ιδανικής συχνότητας κύκλου, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο ιδανικός ρυθμός είναι να αφήνουν το υλικό να απορροφήσει νερό για 1 ώρα, στη συνέχεια να χρησιμοποιούν υπερήχους για να το απελευθερώσουν σε 2 λεπτά, και να επαναλαμβάνουν τον κύκλο.

Πιο σημαντικό, η ενέργεια που απαιτείται για την εξαγωγή του νερού με υπερήχους παρέμεινε σταθερή, αντί για την αργή μείωση που παρατηρείται με τις μεθόδους που βασίζονται στη θερμότητα.

Πηγή: Nature Communications

Μελλοντικές Βελτιώσεις στη Συλλογή Ατμοσφαιρικού Νερού

Υλικά Σώσιμου Επόμενης Γενιάς

Αυτή η μέθοδος χρησιμοποίησε υδρογέλια λιθίου, αλλά υπάρχουν πολλά άλλα υλικά απορρόφησης: άλλα υδρογέλια, μεταλλικο-οργανικές δομές, μικρο- και νανο-υφάσματα ινών, και συνδυασμοί αυτών των υλικών.

Κάθε ένα θα χρειαστεί να επανεξεταστεί και να επανασχεδιαστεί για να ενισχύσει τη συμβατότητά του με την εναλλακτική μέθοδο εξαγωγής.

Η ανθεκτικότητα στην αποσύνθεση αυτών των άλλων απορροφητών θα πρέπει επίσης να αξιολογηθεί.

Βελτίωση της Αποδοτικότητας των Υπερήχων

Λαμβάνοντας υπόψη ότι η NASA πραγματοποίησε δοκιμές σε ενεργοποιητές PZT, για έως 100 δισεκατομμύρια κύκλους σε 580 ημέρες και δεν εντόπισε εμφανή ζημιά ή σημαντική μείωση απόδοσης, το τμήμα παραγωγής υπερήχων της συσκευής αναμένεται να είναι εξαιρετικά ανθεκτικό.

Ωστόσο, ο σχεδιασμός που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα είναι σχετικά αναποτελεσματικός στη μετατροπή της ενέργειας σε υπερήχους, με μόλις 17 έως 19% αποδοτικότητα.

Μία συσκευή 1-3 σύνθετου πιεζοηλεκτρικού μετασχηματιστή σε διάταξη, αντί ενός μοναδικού δακτυλίου-μορφής ενεργοποιητή, θα μπορούσε να φτάσει έως και 35% αποδοτικότητα.

Μεγαλύτερο υπερηχητικό σύστημα βασισμένο σε PZT θα μπορούσε επίσης να είναι πολύ πιο αποδοτικό από τη μικρή πειραματική συσκευή που δοκιμάστηκε εδώ. Έτσι, συνολικά, η αποδοτικότητα 1.000% ή περισσότερο θα μπορούσε να είναι εφικτή με τη βαθμονόμηση και βελτίωση του υλικού PZT που χρησιμοποιείται.

Προς Πύργους Παραγωγής Νερού;

Μία άλλη σημαντική βελτίωση είναι ότι η υπερηχητική εξαγωγή δεν απαιτεί έκθεση της επιφάνειας του απορροφητή στον ήλιο. Έτσι, οι συσκευές μπορούν να στοιβάζονται κάθετα η μία πάνω στην άλλη χωρίς περιορισμό, κατά αρχή, στον αριθμό των κάθετων σειρών.

Αντί ενός μεγάλης κλίμακας πεδίου για απορρόφηση του ηλιακού φωτός, μεγάλοι πύργοι που θα διοχετεύουν νερό από κάθε στοιβαγμένη συσκευή θα μπορούσαν να κατασκευαστούν για πιο κεντρικά σχέδια.

Εταιρείες που Λύνουν την Έλλειψη Νερού

Σε συνεργασία με την ευρωπαϊκή Veolia, η Xylem είναι παγκόσμιος ηγέτης στην καθαρισμό νερού, τη θεραπεία λυμάτων και την αποξήρανση. Απασχολεί πάνω από 23.000 άτομα (από τα οποία πάνω από 6.000 είναι μηχανικοί) και δραστηριοποιείται 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 λυμένα, αλλά παρέχει επίσης εξειδικευμένες λύσεις σχετικές με το νερό σε άλλους τομείς όπως η υγειονομική περίθαλψη, η ενέργεια, η τροφή & ποτά, το πετρέλαιο & αέριο, η μικροηλεκτρονική κ.λπ.

Πηγή: Xylem

Η Xylem μπορεί να παρέχει τα κρίσιμα πατενταρισμένα εξαρτήματα για τον καθαρισμό ή την παραγωγή νερού, όπως γεννήτριες όζοντος, λυχνίες UV, μεμβράνες αποξήρανσης, 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, καθιστώντας το ένα ενιαίο κατάστημα για τις περισσότερες εφαρμογές νερού.

Πηγή: Xylem

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

Η εταιρεία δαπανά περίπου το 4% των πωλήσεών της στην Έρευνα & Ανάπτυξη. Θα πρέπει να ωφεληθεί από νέους κανονισμούς σχετικά με τις PFAS (Περι- και πολυφθοροαλκυλικές ουσίες, ή χημικά «για πάντα»), με πάνω από 6.000 εγκαταστάσεις κοινής ωφέλειας να 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 σταθερό περιθώριο EBITDA 17‑19%.

Συνολικά, αυτό κάνει το επενδυτικό προφίλ της εταιρείας πιο παρόμοιο με αυτό μιας εταιρείας κοινής ωφέλειας που αναπτύσσεται μαζί με τη συνολική οικονομία ή ελαφρώς πάνω από αυτόν τον ρυθμό, όπως οι περισσότεροι πελάτες της.

Τελευταία Νέα και Εξελίξεις για τη Μετοχή Xylem (XYL)

Μελέτη Αναφοράς

^{1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2}