Ultraääni‑teknologia tehostaa ilmakehän vesihankintaa

Puhdas vesi ohuesta ilmasta: Ilmakehän vesihankinnan perusteet

Monilla maailman alueilla makea vesi on kallis ja niukka luonnonvara. Yksi mahdollinen ratkaisu on suolanpoisto, mutta se on toistaiseksi hyvin energiaintensiivinen menetelmä, vaikka aurinkoteknologian viimeaikainen kehitys onkin tuonut sitä lähemmäs käytännön toteutusta.

Meriveden suolanpoisto ei myöskään sovellu monille kuivuudesta kärsiville sisämaa-alueille, kuten Keski-Aasiaan, Mongoliaan, Chilen vuoristoihin tai suurimpaan osaan Saharaa.

Toinen vaihtoehto on kerätä ilmassa olevaa vettä. Monissa aavikoissa ilmankosteus on itse asiassa melko korkea, mutta ilmasto-olosuhteet estävät sateen ja pilvien muodostumisen.

Tähän ilmakehän vedentalteenotto pyrkii. Olemme aiemmin käsitelleet, miten passiivinen jäähdytys yhdistettynä piipinnoitteeseen voi parantaa painovoimaan perustuvan vedentalteenoton tehokkuutta ja miten uudet adsorptiopolymeerit voivat myös auttaa.

Tutkijat etsivät nyt uusia tapoja parantaa ilmankosteuden talteenottoa. Kehitys vie lähemmäs Dyyni-universumista tuttua tieteiskuvitteellista windtrap-vedenkeräintä.

MIT:n tutkimusryhmä on käyttänyt ultraääntä ilmakehän veden adsorption tehostamiseen yhteistyössä saksalaisen SmarAct Metrology GmbH & Co. KG:n kanssa. Tulokset julkaistiin Nature Communications -lehdessä¹ otsikolla “Tehokas ilmakehän vedentalteenotto ultraääni-irrotuksen avulla”.

Ilmakehän vesiad­sorptio selitettynä

Yksi tapa kerätä vettä ilmasta on käyttää polymeeriä, joka adsorboi vettä.

Adsorptio tarkoittaa kiinteiden aineiden eli adsorbenttien kykyä vetää pinnalleen kaasujen tai liuosten molekyylejä — tässä tapauksessa ilmassa olevaa vesihöyryä ja vesipisaroita.

Arkielämässä adsorboivia materiaaleja ovat esimerkiksi pakkauksissa käytettävät silikageelit. Prosessi on varsin tehokas ja voi kerätä paljon ympäröivää kosteutta.

Lähde: Osaka Metropolitan University

Haasteena on saada polymeeri vapauttamaan keräämänsä vesi. Polymeerien desorptio vaatii tavallisesti noin 100 °C:n lämpötilan, mikä tekee prosessista energiaa tuhlaavan ja kalliin.

“Materiaali, joka sitoo vettä erittäin hyvin, ei halua luopua siitä. Siksi veden irrottamiseen materiaalista on käytettävä paljon energiaa ja arvokkaita tunteja.”

Svetlana Boriskina — johtava tutkija

Uudemmissakin polymeereissä alhaisempi lämpötila jättää jäljelle toisen ongelman: veden vapauttaminen lämmöllä kestää kymmeniä minuutteja tai tunteja. Useimpien adsorptiojärjestelmien on siksi kerättävä vettä yöllä ja vapautettava se päivällä auringon lämmön avulla.

Ultraääni voi sen sijaan lyhentää talteenottoajan vain muutamaan minuuttiin ja mahdollistaa veden vapauttamisen tarpeen mukaan.

Ultraäänien potentiaali

Ultraääni eli ultraääniaallot ovat yli 20 kilohertsin (20 000 värähdystä sekunnissa) taajuudella eteneviä akustisia paineaaltoja. Niitä käytetään yhä useammin kehittyneissä sovelluksissa, kuten biotulostuksessa ja etäällä olevien lääkinnällisten laitteiden virransyötössä.

Ultraääni näyttää värähtelevän juuri sopivalla taajuudella, jotta vesimolekyylit irtoavat ne adsorboineesta materiaalista.

Lähde: Nature Communications

Tutkijat suunnittelivat lyijyzirkonaattitanaatista (PZT) valmistetun litteän keraamisen renkaan, joka värähtelee, kun siihen johdetaan jännite.

“Vesi ikään kuin tanssii aaltojen mukana. Kohdistettu häiriö synnyttää liikkeen, joka vapauttaa vesimolekyylit, ja näemme niiden ravistuvan irti pisaroina.”

Svetlana Boriskina — johtava tutkija

Veden adsorboimiseksi tutkijat käyttivät elastisuudeltaan erilaisia PAM-LiCl-AWH-hydrogeelejä. Kaikki sisälsivät litium- ja kloridi-ioneja, jotka sitoivat vettä ilmasta.

Lähde: Nature Communications

Testeissä laite ravisti kustakin näytteestä riittävästi vettä kuivattaakseen sen vain muutamassa minuutissa.

Hydrogeelien elektronimikroskooppinen tarkastus osoitti myös, ettei ultraääni vahingoittanut geeliä. Laite vaikuttaa siten riittävän kestävältä käytännön käyttöön.

Lähde: Nature Communications

Massiivinen tehokkuusparannus

Koska lämmöllä tapahtuva veden vapautus voitiin aiemmin tehdä vain kerran vuorokaudessa, prosessin tehokkuus jäi hyvin alhaiseksi. Kehittyneimmänkin laitteen hyötysuhde oli vain 9,5 %.

MIT:n järjestelmä voi sitä vastoin tuottaa vettä toistuvasti päivän aikana. Hyötysuhde voi nousta 428 prosenttiin eli jopa 45-kertaiseksi.

“Ratkaisevaa on, kuinka paljon vettä päivässä voidaan ottaa talteen. Ultraäänellä vesi saadaan nopeasti ulos ja sykli voidaan toistaa yhä uudelleen. Päivän aikana määrä voi kasvaa suureksi.”

Svetlana Boriskina — johtava tutkija

Vaikka laite hukkaa hieman energiaa lämpönä Joulen ilmiön vuoksi, se on silti huomattavasti tehokkaampi kuin muut tähän mennessä kehitetyt vedentalteenottomenetelmät.

“Ilmakehästä on pitkään etsitty tapoja kerätä vettä. Se voisi olla merkittävä vesilähde erityisesti aavikkoalueilla ja paikoissa, joissa ei ole edes suolavettä poistettavaksi.

Nyt meillä on tapa ottaa vesi talteen nopeasti ja tehokkaasti.”

Svetlana Boriskina — johtava tutkija

Käytännön käyttöönotto kuumilla ja syrjäisillä alueilla

Laitteen paras ensimmäinen käyttökohde ovat todennäköisesti syrjäiset aavikkoalueet, joilla sekä energia- että makean veden infrastruktuuri on rajallista.

Lämpöön perustuvasta adsorptiosta poiketen laite tarvitsee sähköä ultraäänen tuottamiseen. Siksi tarvitaan hajautettua energiantuotantoa esimerkiksi seuraavista lähteistä:

• Aurinkopaneelit, kuten MIT:n kokeissa.
• Tuulivoima, joka toimii myös yöllä, jolloin ilmankosteus on suurempi ja kahden minuutin vedenerotussyklejä voidaan tehdä useampia tunnissa.
• Uusiutuva energiantuotanto yhdistettynä akkuihin ympärivuorokautista käyttöä varten.

Optimaalista syklitaajuutta tutkiessaan ryhmä havaitsi parhaaksi rytmiksi yhden tunnin veden adsorptiota, kahden minuutin ultraääni-irrotuksen ja syklin toistamisen.

Erityisen tärkeää on, että ultraäänellä tehtävän vedenerotuksen energiantarve pysyi vakiona eikä heikentynyt vähitellen kuten lämpöön perustuvissa menetelmissä.

Lähde: Nature Communications

Tulevaisuuden parannukset ilmakehän vesihankinnassa

Seuraavan sukupolven adsorbenttimateriaalit

Menetelmässä käytettiin litiumhydrogeelejä, mutta muitakin adsorbentteja on olemassa: muita hydrogeelejä, metalli-orgaanisia runkorakenteita, mikro- ja nanokuitumattoja sekä näiden yhdistelmiä.

Jokainen materiaali on arvioitava ja suunniteltava uudelleen siten, että se soveltuu mahdollisimman hyvin vaihtoehtoiseen irrotusmenetelmään.

Myös näiden muiden adsorbenttien kulumiskestävyys on arvioitava.

Ultraäänen hyötysuhteen parantaminen

NASA on testannut PZT-toimilaitteita jopa 100 miljardin syklin ajan 580 päivän kuluessa havaitsematta vaurioita tai merkittävää suorituskyvyn heikkenemistä. Siksi laitteen ultraääntä tuottavan osan odotetaan olevan erittäin kestävä.

Kokeessa käytetty rakenne muuntaa kuitenkin sähköä ultraääneksi melko tehottomasti, vain 17–19 prosentin hyötysuhteella.

Yhden rengasmaisen toimilaitteen sijaan 1-3-komposiitista rakennettu pietsosähköinen anturimatriisi voisi saavuttaa jopa 35 prosentin hyötysuhteen.

Suurempi PZT-pohjainen ultraäänilaite voisi myös olla paljon tehokkaampi kuin tässä testattu pieni koelaitteisto. Käytetyn PZT-materiaalin kalibroinnilla ja parantamisella kokonaistehokkuus voi siis yltää 1 000 prosenttiin tai sen yli.

Kohti vettä tuottavia torneja?

Ultraääni-irrotuksen tärkeä etu on myös se, ettei adsorbentin pintaa tarvitse altistaa auringonvalolle. Laitteita voidaan siten pinota päällekkäin, eikä pystyrivien määrälle ole periaatteellista rajaa.

Auringonvaloa keräävän laajan kentän sijasta keskitetty järjestelmä voisi koostua korkeista torneista, joissa vesi virtaa jokaisesta päällekkäin pinotusta laitteesta.

Yritykset, jotka ratkaisevat vesipulaa

Xylem on eurooppalaisen Veolian ohella maailman johtavia vedenpuhdistuksen, jätevedenkäsittelyn ja suolanpoiston yrityksiä. Se työllistää yli 23 000 henkilöä, joista yli 6 000 on insinöörejä, toimii 150 maassa ja keskittyy erityisesti Yhdysvaltoihin, jossa sillä on yli 35 000 suoraa teollisuusasiakasta.

Yhtiön tärkein markkina on kunnallinen juoma- ja jätevesihuolto, mutta se tarjoaa vesiratkaisuja myös terveydenhuoltoon, energiantuotantoon, elintarvike- ja juomateollisuuteen, öljy- ja kaasualalle sekä mikroelektroniikkaan.

Lähde: Xylem

Xylem toimittaa veden puhdistamiseen ja tuottamiseen tarvittavia kriittisiä patentoituja laitteita, kuten otsonigeneraattoreita, UV-lamppuja, suolanpoistokalvoja ja ultrapuhtaan veden generaattoreita.

Se toimittaa myös yksinkertaisempia mutta yhtä välttämättömiä laitteita, kuten turbiineja, pumppuja, putkistoja, annostelulaitteita ja ohjelmistoja, sekä huolto-, korjaus- ja asennuspalveluja. Näin se tarjoaa yhdestä paikasta ratkaisuja useimpiin vedenkäyttökohteisiin.

Lähde: Xylem

Vesimarkkina on edelleen hyvin pirstaleinen. Xylem on yksi alan suurimmista yrityksistä, mutta sen osuus palvellusta 80 miljardin dollarin kokonaismarkkinasta on silti “vain” noin 10 %.

Yhtiö käyttää tutkimukseen ja kehitykseen noin 4 % liikevaihdostaan. Sen odotetaan hyötyvän uusista PFAS-yhdisteitä eli niin sanottuja ikuisuuskemikaaleja koskevista säännöksistä, sillä yli 6 000 vesilaitosta tarvitsee PFAS-käsittelyä.

Xylem on kasvanut tasaisesti: nettotulos nousi vuoden 2012 297 miljoonasta dollarista 609 miljoonaan dollariin vuonna 2023, samalla kun käyttökate pysyi vakaasti 17–19 prosentissa.

Kokonaisuutena yhtiön sijoitusprofiili muistuttaa vähemmän suhdanneherkkää teollisuusyritystä ja enemmän yleisen talouden tahdissa tai hieman sitä nopeammin kasvavaa energiayhtiötä, kuten monet sen asiakkaista.

Xylemin (XYL) uusimmat osakeuutiset ja kehitys

Viitattu tutkimus

^{1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. Tehokas ilmakehän vedentalteenotto ultraääni-irrotuksen avulla. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2}