Ilmakehän vesiharvestointi – Kuinka painovoiman hyödyntäminen voi edistää tätä teknologiaa

Vesi on ehkä arvokkain resurssi, jonka planeettamme on käsiteltävä. Vaikka se kattaa 70 % planeetastamme, makea vesi – vesi, jota käytämme juomiseen, kylpemiseen tai viljelymaiden kasteluun – on niukkaa. Vain 3 % maailman vedestä on makeaa. Lisäksi kaksi kolmasosaa siitä 3 %:sta sijaitsee jäätyneissä jäätiköissä tai ei ole käytettävissä.

Veden niukkuuden seuraukset näkyvät maailmanlaajuisesti. Maailmanlaajuisesti lähes 1,1 miljardia ihmistä ei pääse käsiksi veteen. Yhteensä 2,7 miljardia ihmistä kärsii veden niukkuudesta vähintään kuukauden ajan vuodessa.

Veden puute johtaa myös moniin muihin ongelmiin, kuten riittämättömään sanitaatioon, mikä on ongelma 2,4 miljardille ihmiselle, jotka ovat haavoittuvaisia ja alttiita sairauksille kuten kolera ja tifoosi, sekä monille muille tappaville ripulitaudeille. 

Kasvava väestö ja jatkuvasti laajeneva veden kysyntä ovat olleet ristiriidassa. Mitä väkiluku planeetallamme on kasvanut, sitä enemmän sen vesijärjestelmät ovat kuormittuneet. 

Nousevat saastumistasot ovat rasittaneet planeetan jokia, järviä ja pohjavesiä. Vielä huolestuttavampaa on, että yli puolet maailman kosteikoista on kadonnut. 

Jos tiedeyhteisö ei kehity ajan myötä eikä tarjoa ratkaisuja taistellakseen katoavan veden uhkaa vastaan, maatalousjärjestelmämme eivät tule saamaan riittävästi vettä pian, mikä johtaa ruokaturvan puutteeseen ja paljon muuhun. 

Onneksi tiedeyhteisö on valmis haasteeseen maailmanlaajuisesti. Tänään käsittelemme yhtä tällaista läpimurtoratkaisua seuraavassa osiossa ja syvennymme siihen tarkemmin. 

Laite poimii vettä ilmasta pelkästään painovoiman avulla

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jota johtaa KAUSTin professori Qiaoqiang Gan, on suunnitellut laitteen, joka voi mahdollisesti toimia ilman sähköä ja poimia vettä ilmasta pelkästään painovoiman avulla. Laite, joka on jo vapaa kalliista energialähteistä, voidaan valmistaa edullisista ja helposti saatavilla olevista materiaaleista. 

Kokeiluraportti, jonka otsikko on ‘Voitelupinta pystysuorassa kaksipuolisessa arkkitehtuurissa säteilyjäähdytykseen ja ilmakehän vesiharvestointiin’, pyrkii tekemään ilmakehän vesiharvestoinnista tehokkaampaa.

Vesiharvestointiprosessi paranee merkittävästi säteilyjäähdytyksessä. Säteilyjäähdytys toimii alentamalla merkittävästi kondensaattorin lämpötilaa alle ympäristön tason, mikä tekee ilmakehän vesiharvestoinnista mahdollisen ilman lisäenergiaa. 

Yksi säteilyjäähdytysjärjestelmien kohtaama ongelma on perinteisten taivaalle kohdistuvien kondensaattorien alhainen jäähdytysteho, ja vesipisaroiden pysyminen kiinnittyneinä pinnalle, mikä vaatii aktiivista kondensaatin keräystä. 

Tutkimus on ehdottanut ratkaisua tähän ongelmaan: voitelupintakäsittely (LS) — koostuen erittäin skaalautuvasta polydimetylisiloksaanielastomeerista, jota on voideltu silikonipetrolla ja levitetty kondensaattorin puolelle pystysuorassa kaksipuolisessa arkkitehtuurissa.

Suunnittelun etuja on useita. Yksi niistä on, että se kaksinkertaistaa paikallisen jäähdytystehoa tehokkaasti. 

Toiseksi, se poistaa kosketuslinjan kiinnittymisen, mahdollistaen passiivisen, painovoimalla ohjatun veden keräyksen. Tuloksena on nostettu AWH-kapasiteetti 0 × 30 cm²:n näytteestä ulkoilmassa, jossa ei ollut keinotekoista kostutettua ilmavirtausta. 

Voitelupinnan (LS) keräysnopeus saavutti 21 g m⁻² h⁻¹, kaksinkertainen verrattuna superhydrofobiseen pintaan, 10 g m⁻² h⁻¹. Suorituskyky oli vielä parempi sisätiloissa, joissa järjestelmä pystyi saavuttamaan kondensoitumisnopeuden jopa 87 % teoreettisesta rajasta ja keräämään jopa 90 % kokonaiskondensaattista passiivisesti. 

Ilmakehän vesiharvestoinnin oikeaoppiset hyödyt

Ilmakehässä on kuusi kertaa enemmän vettä kuin kaikissa maapallon jokien makeassa vedessä yhteensä. Professori Ganin mukaan:

“Tämä vesi voidaan kerätä ilmakehän vesiharvestointiteknologioilla.”

Ja kun prosessi toteutetaan tehokkaasti yllä mainitulla ratkaisulla, siitä tulee entistä kannattavampi käyttäjilleen. Selittäessään järjestelmän etuja, professori Dan Daniel, yksi professori Ganin tutkimusryhmän postdoc-tutkijoista, sanoi seuraavaa, 

“Järjestelmä ei kuluta lainkaan sähköä, mikä johtaa energiansäästöihin. Lisäksi se ei perustu mekaanisiin osiin, kuten kompressoreihin tai puhaltimiin, mikä vähentää perinteisten järjestelmien ylläpitoa ja tuo lisäsäästöjä.”

Dan Danielin havaintojen jälkeen tiimin toinen postdoc, Shakeel Ahmad, lisäsi:

“Käsitteemme poisti tehokkaasti kiinnittymisen, mahdollistaen todellisen passiivisen vedenkeräyksen, jota ohjaa vesi.”

Kaiken kaikkiaan järjestelmä parantaa ilmakehän vesiharvestoinnin laatua merkittävästi, tehden AWH:sta todellisen sinisen ratkaisun tässä yhä niukempien vesivarojen maailmassa. 

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten aurinkoenergia voi tehdä enemmän kuin vain tuottaa puhdasta energiaa.

Ilmakehän vesiharvestointijärjestelmien edistysaskeleet

Lokakuussa 2023 tieteellisessä lehdessä Energy julkaistu artikkeli teki kattavan katsauksen AWH-menetelmän tekniikoihin, suorituskykyyn, uusiutuviin energiaratkaisuihin ja toteutettavuuteen. Katsaus korosti ilmakehän vesiharvestointia mahdollisena valtavana makean veden lähteenä, jonka määrä on 12 900 km³.

Se sanoi:

“Ilmakehän vesiharvestointijärjestelmät ovat kasvattaneet suosiotaan viime vuosina, koska ne tarjoavat kestävän vesilähteen kuivilla alueilla.” 

Seuraavissa osioissa tarkastelemme joitakin näistä edistysaskeleista, mukaan lukien kosteudenpoisto, kondensointi, höyrynpuristusjäähdytyssyklit (VCRC:t), termoelektriset jäähdyttimet (TEC:t), ilmastointilaitteet, polttokennot ja integroidut järjestelmät.

Kosteudenpoisto ja kondensointi

Kosteudenpoistoon perustuvat vesiharvestointiteknologiat saavat energiaa aurinkosta, tuulesta tai sähköstä. Teknologiat voivat perustua kompressori-/jäähdytysnestejärjestelmiin tai desikanttijärjestelmiin.

Ensimmäiset tyypit toimivat kastepisteen kondensoinnin kautta ja tarjoavat kylmän pinnan, johon vesihöyry voi tiivistyä, kun taas toiset kyllästävät vesihöyryn sorbentilla, joka sitten kuumennetaan, ja ylikyllästynyt vesihöyry tiivistyy pinnalle, kun se kohtaa viileämpää ympäristöilmaa. 

Höyrynpuristusjäähdytyssyklit (VCRC:t)

Tämä prosessi viittaa mekanismiin, jossa höyryä puristetaan, sitten tiivistetään vedellä tai ilmalla, ja laajennetaan alhaiselle paineelle ja vastaavalle alhaiselle lämpötilalle venttiilin tai tehonottoa mahdollistavan moottorin kautta.

Termoelektriset jäähdyttimet

Vuonna 2023 International Information and Engineering Technology Association (IIETA) julkaisi tutkimuksen ilmakehän veden keräämisestä termoelektrisen jäähdytysteknologian avulla. 

Tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia ilmakehän ilman potentiaalia vaihtoehtoisena puhtaan veden lähteenä vesipulan lievittämiseksi Indonesiassa, jossa keskimääräinen ilmakehän kosteus on 75 %–85 %.

Tutkijat asensivat termoelektrisen jäähdyttimen (TEC 1-12706), jota täydensivät jäähdytyslaite ja puhallin kuumalla puolella lämmön poistamiseksi. Kuparista valmistettu jäähdytyskela toimi sekä lämmön absorboijana että kondensaattorina ilmakehän ilman läpikulkuun.

Kelan (halkaisija=7,9 mm; pituus=1000 mm) jäähdytyslähde johdettiin vesiblokista, joka oli kiinnitetty jäähdyttimen kylmälle puolelle. Kokeen asetuksiin sisältyivät kaikki mahdolliset ympäristöolosuhteet, mukaan lukien laboratorio, asuinalue ja rannikkoalue, ja jäähdytyspuhaltimen ilmavirtausta säädettiin.

Data kerättiin kosteusalueella 72,27 %–83,01 % ja tulokset osoittivat suoran korrelaation jäähdytyspuhaltimen ilmamassan virtausnopeuden ja ilmasta otettavan veden määrän välillä.

Koe tarjosi myös mielenkiintoisia näkemyksiä ympäristön tyypin vaikutuksesta otetun ilman määrään, sillä rannikkoalueella saatiin enemmän vettä kuin laboratorioissa ja asuinalueilla. 

Tarkemmin sanottuna ilmamassan virtausnopeus oli 0,092 kg/s rannikkoalueilla, ja otettavissa oleva vesimäärä oli 7,75 ml/tunti. Laboratoriotilanteessa suorituskyky laski 5,5 ml/tunti, ja asuinalueilla se oli 4,75 ml/tunti. Tutkijat ymmärsivät, että veden ottoa voitaisiin lisätä maksimoimalla ilman jäähdyttimen ja kelan välinen kosketuspinta.

Ilmastointilaitteet 

Kesäkuussa 2024 tutkimuspaperi, joka julkaistiin lehdessä Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, arvioi veden tuotannon todennäköisyyttä ilmastointilaitteista epätavallisena vesilähteenä.

Tarkemmin sanottuna tutkimus tarkasteli kondensoidun veden fyysisiä ja kemiallisia ominaisuuksia sekä tutki kerättyjen kondensaattorin vesinäytteiden raskasmetallipitoisuutta, jotka tuotettiin ilmastointilaitteista.

Arvioinnin tarkoituksena oli varmistaa, että veden laatu täyttää Jordanian juomavesistandardien ja FAO:n kastelukäyttöön asetettujen ohjeiden kriteerit.

Tutkimus toteutettiin Jordanissa, joka sijoittui maailman taloudellisesti heikoimpien maiden joukkoon uusiutuvien makean veden resurssien osalta, ja jossa henkeä kohti saatavilla oleva määrä oli vuonna 2021 noin 61 kuutiometriä. 

Testitulokset osoittivat, että näytteet noudattivat enimmäkseen sekä juomavesiohjeiden (alle 20 °C) että kastelukäyttöön tarkoitetun käsitellyn veden (alle 25 °C) asettamia sallittuja rajoja. Näytteiden lämpötila vaihteli 16 °C:n ja 20 °C:n välillä, keskiarvo 18 °C, kun taas kondensaattorin vesinäytteiden pH-arvot vaihtelivat 7,16–7,25, keskiarvo 7,20.

Polttokennoja

Toinen tutkimus, joka julkaistiin Applied Energyn joulukuun 2020 numerossa, ehdotti polttokennon elektrokemiallisen veden uudelleenkäyttöä höyrynpuristussyklään perustuvassa ilmakehän vesigeneraattorissa (VCC-AWG). 

Ratkaisumekanismi hyödynsi polttokennon savukaasua, joka virtasi VCC-AWG:hen korkeammalla suhteellisella kosteudella kuin luonnollinen ilmakehän ilma, kun se kulki ympäristön lämmönvaihtimen läpi poistamaan elektrokemiallista hukkaenergiaa. 

Tiedemiehet ehdottivat, että korkeamman suhteellisen kosteuden avulla voitaisiin lisätä makean veden tuotantoa energiaa kohden. Tulokset osoittivat, että suhteellisessa kosteudessa 0,75 lisättäessä 2 kilowatin polttokenno tuotti jopa 3 kg/tunti puhdasta vettä, mikä oli 50 % enemmän kuin ilman polttokennoa. 

Kun erityinen energiankulutus oli 200 Wh/kg, VCC-AWG voitaisiin integroida pienillä uhrauksilla polttokennon tehoon.

Integroituja järjestelmiä

Lopuksi useat tutkijat ovat myös ehdottaneet innovatiivisia integroiduja järjestelmiä, jotka yhdistävät desikanttipyörät ja höyrystinjäähdyttimet tarjoten sekä viilattua ilmaa että kondensoitunutta vettä.

Entistä tärkeämpää on, että nämä integroidut järjestelmät ovat osoittaneet poikkeuksellisia vesiharvestointikykyjä kuivuissa olosuhteissa. Esimerkiksi yhden kokeen tietojen mukaan yhden kuutiometrin kosteudenpoistolaitteisto voisi tarjota Qatarin perheelle yli 15 l päivittäistä makeaa vettä suhteellisen kosteuden ollessa 50–70 %. 

Kun maailmanlaajuiset tiedeyhteisöt ovat jatkuvasti tutkineet ilmakehän vesiharvestoinnin mahdollisuuksia ja laajentaneet sen rajoja, yritykset ovat kehittäneet ratkaisuja, jotka soveltuvat massakäyttöön. Seuraavissa osioissa tarkastelemme lyhyesti muutamaa tällaista yritystä. 

#1. Atoco

Lähde: Atoco

Atocon vesiharvestointiteknologia pystyy keräämään ja tuottamaan puhdasta vettä ilmasta, jopa kuivissa olosuhteissa, joissa suhteellinen kosteus on alle 20 %.

Kuten aloitustutkimus, myös Atoco-ratkaisu voi toimia passiivisessa tilassa ilman sähkön käyttöä, mahdollistaen verkottomat toiminnot nollahiilijalanjäljellä.

Atocon uusien retikulaarimateriaalien käytön tuloksena syntyvän veden laatu on äärimmäisen puhdas, eikä se vaadi lisäsuodatusta. Se täyttää täysin globaalit standardit, mukaan lukien WHO- ja EPA-standardit juomaveden osalta sekä FAO:n vesilaadun vaatimukset maatalouskäyttöön.

Prof. Omar Yaghin, retikulaarikemian isän, perustama Atoco uskoo voivansa torjua sekä ilmastonmuutoksen syitä että seurauksia sekä vastata ilmaston lämpenemiseen ja veden niukkuuteen kehittämällä kestäviä, resilienttejä ja mullistavia ratkaisuja ilmakehän vesiharvestoinnin alalla.

#2. Watergen

Watergen on israelilainen edelläkävijäyritys ja maailmanlaajuinen johtaja ilmakehän juomaveden laitteiden (AWG) markkinoilla, ja se tarjoaa koneita, jotka tuottavat juomavettä mahdollisimman tehokkaasti ja taloudellisesti. Sen ratkaisut ovat läsnä yli 65 maassa ympäri maailmaa. 

Sen kaupallinen Gen-L -ratkaisu voi tuottaa jopa 6 000 litraa päivässä, kun taas pieni Genny -ratkaisu tarjoaa 30 litraa päivässä. Se tarjoaa ratkaisuja kaikkiin tarpeisiin näiden kahden vaihtoehdon välillä. 

Vuonna 2022 Watergen ilmoitti strategisesta yhteisyrityksestä SMV Jaipuria Groupin kanssa, jonka suunniteltu investointi on yli 50 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria seuraavien 2–3 vuoden aikana, jotta vesistä-ilma-teknologian tuotteet saataisiin Intiaan.

Lopulliset sanat

Kaiken kaikkiaan maailma on valmis kohtaamaan veden niukkuushaasteet suoraan hyödyntämällä taitavasti toista runsaasti saatavilla olevaa luonnonvaraa: ilmakehän ilmaa. 

Kuitenkin on tehtävä vielä enemmän, jotta tuotantokustannuksia voitaisiin alentaa ja prosessit tehdä ympäristön kannalta kestäviksi ilman tai minimaalisen energian käytöllä. 

Monet vesipulaa kärsivät maat ovat matalan tulotason talouksia. Niille on tarjottava ratkaisuja, jotka ovat edullisia massoille ja voidaan ottaa käyttöön mahdollisimman saumattomasti. 

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten aurinkovoimalla toimiva suolanpoisto voi ratkaista veden niukkuuden.