Aurinkovoima voi tehdä enemmän kuin tuottaa puhdasta energiaa – se voi tuottaa puhdasta vettä kuivilla alueilla

Maassa kuten Kanadassa ja Brasiliassa, puhtaan veden saatavuus on harvoin huolenaihe.  Kuitenkin todellisuus on, että maailmassa on lukuisia väestöä ja kuivia alueita, joissa makea vesi on ylellisyyttä.  Onneksi on jo olemassa ratkaisuja ja kehitteillä olevia ratkaisuja tämän ongelman ratkaisemiseksi – esimerkiksi ilmakehän vesiharvesterit (AWH).

Äskettäisessä läpimurrossa tutkijat ovat kehittäneet mahdollisesti vallankumouksellisen ilmakehän vesiharvesterin, joka hyödyntää aurinkovoimalla toimivaa passiivista adsorptiopohjaista tekniikkaa.  Tämän innovaation ydin on sen käyttö uusien ‘superhygroskooppisten huokoisten geelimien’ kanssa.  Nämä koostuvat titaaninitriidistä, hydroksipropyyli‑metyyliselluloosasta ja LiCl:stä (THL), ja ne ovat osoittaneet poikkeuksellista veden adsorptiokapasiteettia laajalla kosteusalueella (15 %–90 % RH).  Ainutlaatuinen materiaalien yhdistelmä mahdollistaa nopean adsorptio‑ ja desorptiokineettisen (aiemmin adsorboituneen aineen vapautumisnopeus) toiminnan, mikä merkittävästi parantaa tehokkuutta ilmakehän vesiharvesterien käytössä.

Julkaistu tutkimus, joka kuvaa edellä mainittua läpimurtoa, korostaa laitteen kykyä saavuttaa korkea vesituotto jopa kuivilla alueilla, ja sen käytännön sovellusta on jo vahvistettu ulkotestauksilla eri vuodenaikoina.

Tämä AWH-teknologia, joka esittelee kestävän ja tehokkaan lähestymistavan veden niukkuuden lieventämiseen kuivilla alueilla, vertautuu suotuisasti muihin aurinkovoimalla toimiviin vesiharvestointijärjestelmiin ja, mikä tärkeintä, täyttää WHO:n juomaveden standardit.

Ilmakehän vesiharvesterit

Uusi hygroskooppinen huokoinen geeli on kehitetty, jonka pitäisi nostaa AWH-laitteiden tehokkuutta ja toimivuutta maailmanlaajuisesti.  Tämä on hienoa, mutta miten nämä laitteet oikeastaan toimivat?

Kuten nimestä voi päätellä, ilmakehän vesiharvester (AWH) on laite, joka on suunniteltu keräämään vettä ilmasta. Nämä laitteet ovat erityisen arvokkaita kuivilla alueilla, joilla perinteiset vesilähteet ovat niukkoja tai saastuneita. Olemassa olevien AWH-laitteiden tekniikka vaihtelee, mutta se perustuu yleensä vesihöyryn keräämiseen ilmasta ja sen tiivistämiseen nestemäiseksi vedeksi.

Yleisin AWH-järjestelmän suunnittelu perustuu kondensaatioperiaatteeseen, samankaltaisesti kuin kaste muodostuu. Tämä suunnittelu sisältää yleensä:

1. Ilmanotto: Ilmaa vedetään järjestelmään tuulettimen avulla.
2. Jäähdytys ja kondensaatio: Kosteaa ilmaa jäähdytetään sitten alapuolelle kastepistettä, usein käyttäen jäähdytettyä tai Peltier-jäähdytettyä kondensaattoria, mikä saa vesihöyryn tiivistymään pisaroiksi.
3. Veden keräys: Tiivistynyt vesi kerätään säiliöön, suodatetaan ja joskus mineraalisoidaan maun parantamiseksi.
4. Jakelu: Lopuksi vesi joko varastoidaan myöhempää käyttöä varten tai johdetaan suoraan välittömään kulutukseen.

AWH-järjestelmät voivat vaihdella koossa pienistä, kannettavista yksiköistä, jotka sopivat yksilö- tai kotitalouskäyttöön, suuriin teollisen mittakaavan asennuksiin. Näiden järjestelmien tehokkuus riippuu suurelta osin ympäristön kosteudesta ja lämpötilasta; korkeammat kosteusprosentit johtavat yleensä suurempaan vesituottoon – minkä vuoksi mikä tahansa tehokkuuden parannus kuivilla alueilla on tervetullut, kuten se, mitä uudet superhygroskooppiset huokoiset geelit tarjoavat.

Koon skaalautuvuuden ansiosta AWH-laitteita käytetään yleisesti eri ympäristöissä:

Kuivat ja kuivuusaltiset alueet: Ne tarjoavat kriittisen puhtaan juomaveden lähteen alueilla, joilla vesi on niukkaa.

Sotilaalliset sovellukset: Kannettavat AWH-yksiköt ovat hyödyllisiä veden tarjoamisessa joukoille syrjäisissä paikoissa.

Etäyhteisöt ja hätäapu: Ne tarjoavat välittömän juomaveden lähteen syrjäisissä yhteisöissä tai luonnonkatastrofien aikana, kun perinteiset vesilähteet eivät ole saatavilla tai ovat saastuneita.

Maatalous: Joitakin AWH-järjestelmiä käytetään kasteluun kuivilla alueilla.

AWH-teknologian edistysaskeleet, jotka sisältävät superhygroskooppiset huokoiset geelit ja MOF:t (metalliorgaaniset kehykset), ovat valmiita parantamaan perinteisiä jäähdytyspohjaisia järjestelmiä, tarjoten mahdollisuuden imeä vesihöyryä paljon alhaisemmalla energiakustannuksella. Nämä innovaatiot tekevät AWH-laitteista tehokkaampia ja toteuttamiskelpoisempia laajemmassa ilmastollisessa vaihtelussa.

Makeat vesivarannot

Suurin osa maailman makeasta vedestä löytyy jäätiköistä ja jääpeitteistä, mikä kattaa noin 69 % maailman makean veden varannoista. Nämä sijaitsevat pääasiassa napaseuduilla ja korkeilla vuoristoalueilla, kuten Antarktiksessa, Grönlannissa ja eri vuoristoissa ympäri maailmaa. Seuraavaksi suurimmat makean veden varannot ovat pohjavesi, jotka muodostavat noin 30 % kokonaisuudesta. Vain pieni murto-osa (alle 1 %) maailman makeasta vedestä on saatavilla joessa, järvessä ja ilmakehässä.

Alueilla, joilla ilmakehän vesiharvesterit (AWH) ovat tarpeen, puhdasta vettä on usein vaikea löytää useista syistä:

Kuivat ilmastot: Monet alueet, joilla AWH-laitteita tarvitaan, ovat kuivia tai puolikuivia, joissa sademäärä on alhainen. Tämä sisältää laajoja Afrikan, Lähi-idän, Etelä-Amerikan, Keski-Aasian ja Australian alueita.

Pohjaveden ehtyminen ja saastuminen: Pohjaveden liiallinen käyttö maataloudessa ja juomaveden tarpeessa, yhdistettynä riittämättömään uusiutumiseen, johtaa ehtymiseen. Lisäksi pohjavesi voi olla saastunutta luonnollisten ja ihmisen aiheuttamien saasteiden vuoksi, mikä tekee siitä epäkelvön kulutukseen.

Infrastruktuurin puute: Monilla syrjäisillä tai kehittymättömillä alueilla ei ole infrastruktuuria veden keräämiseen, käsittelyyn ja jakeluun. Tämä pahentuu usein taloudellisten rajoitteiden takia.

Ilmastonmuutos: Ilmastonmuutoksen vaikutukset perinteisiin vesilähteisiin. Jotkut alueet kokevat pitkiä kuivuuskausia, kun taas toiset kohtaavat jäätiköiden sulamista, mikä vaikuttaa pitkän aikavälin vesivarantoihin.

Ylikansoitus ja urbanisaatio: Tiheästi asutuilla tai nopeasti urbanisoituvilla alueilla nykyiset vesivarannot eivät välttämättä riitä kysyntään. Lisäksi urbanisaatio johtaa usein saatavilla olevien vesilähteiden saastumiseen.

Poliittiset ja taloudelliset haasteet: Joissakin tapauksissa vesivarojen hallinta ja jakelu vaikuttavat poliittiset ja taloudelliset tekijät, mikä johtaa epätasaiseen vesien saatavuuteen.

AWH-laitteet tarjoavat vaihtoehdon keräämällä vettä ilmasta, mikä voi olla toimiva ratkaisu alueilla, joilla muut lähteet ovat olemattomia, riittämättömiä tai vaarallisia. Tämä teknologia on erityisen arvokas alueilla, joilla ilma on kostea, mutta sademäärä on alhainen, mikä tekee perinteisistä vesilähteistä epäluotettavia.

Nykyiset ratkaisut

Tällä hetkellä on useita teknologioita, jotka kilpailevat tai täydentävät ilmakehän vesiharvesteria (AWH) makean veden tuottamisessa, erityisesti alueilla, joilla vesipula on merkittävä ongelma.  Kuitenkin jokaisella on omat etunsa ja haasteensa.  Joitakin merkittävämpiä vaihtoehtoisia ratkaisuja ovat,

Suolanpoisto: Tämä on yksi merkittävimmistä menetelmistä tuottaa makeaa vettä merivedestä tai suolaisesta vedestä. Suolanpoisto käyttää pääasiassa kahta tekniikkaa: käänteisosmoosia, jossa vesi suodatetaan puoliläpäisevän kalvon läpi, ja termistä suolanpoistoa, jossa vesi kuumennetaan ja haihdutetaan ja sitten höyry tiivistetään.  Suolanpoistolaitokset ovat erityisen yleisiä kuivilla alueilla, kuten Lähi-idässä.  Vaikka tehokas, suolanpoisto on yleensä kallista ja vaatii paljon energiaa.

Veden kierrätys ja uudelleenkäyttö: Kehittyneet vesikäsittelytekniikat mahdollistavat jäteveden kierrättämisen juomakelpoiseksi vedeksi. Tämä sisältää jäteveden, teollisuus- ja maatalousjätteiden käsittelyn.  Kierrätettyä vettä voidaan käyttää erilaisiin tarkoituksiin, kuten kasteluun, teollisuusprosesseihin ja makean veden varantojen täydentämiseen.  Tämä lähestymistapa vaatii yleensä suuria laitoksia ja nostaa käyttökustannuksia.

Sadeveden keräys: Tämä on yksinkertaisempi ja perinteisempi tapa kerätä ja varastoida sadevesi myöhempää käyttöä varten.  Sadeveden keräysjärjestelmät keräävät vettä katoilta tai muilta pinnoilta ja varastoivat sen säiliöihin.  Vaikka se ei ole teknologisesti yhtä kehittynyt kuin AWH, se on kestävä tapa täydentää vesivarantoja, erityisesti alueilla, joilla on kausittainen sademäärä.  Koska tämä menetelmä riippuu sademäärästä, se ei ole yhtä luotettava kuin jotkut muut lähestymistavat.  Lisäksi ei ole varmuutta, että kerätty vesi ei tarvitse lisäkäsittelyä turvallisuuden varmistamiseksi.

Sumu-keräys: Samankaltainen kuin AWH, sumukeräimet keräävät vettä ilmakehästä.  Ne käyttävät suuria verkkoja veden pisaroiden sieppaamiseen sumussa, jotka sitten kerääntyvät ja tippuvat keräyspulloihin.  Tämä menetelmä sopii rannikko- tai vuoristoalueille, joilla sumu on yleistä.

Pohjaveden täydennys: Tämä sisältää sadeveden tai kierrätetyn veden ohjaamisen maahan vesivarantojen täydentämiseksi.  Menetelmät sisältävät täydennyspohjaisten altaiden, infiltraatioaltaiden ja läpäisevien päällysteiden rakentamisen.  Se on tapa varmistaa kestävä pohjaveden saanti, joka on monilla alueilla merkittävä makean veden lähde.

Aurinkoveden tislaus: Yksinkertainen teknologia, jossa aurinkoenergiaa käytetään saastuneen tai suolaisen veden haihduttamiseen, ja kondensoitu vesi kerätään tisleeksi.  Tämä menetelmä soveltuu paremmin pienimuotoisiin sovelluksiin ja on erityisen hyödyllinen syrjäisillä alueilla, joilla on runsaasti auringonvaloa.

Jokaisella näistä teknologioista on omat sovellusalueensa, jotka perustuvat maantieteellisiin, ilmastollisiin ja taloudellisiin näkökohtiin.  Monissa tapauksissa näiden teknologioiden yhdistelmää käytetään varmistamaan luotettava ja kestävä vesihuolto.