Kestävyys
Ultrasound Tech Supercharges Atmospheric Water Harvesting
TL;DR
MIT:n ultraäänilaitteisto voi poimia vettä kosteasta ilmasta jopa 45-kertaisesti tehokkaammin kuin lämpöpohjaiset järjestelmät, ja se lyhentää sykliä useista tunteista muutamiin minuutteihin. Jos laitteisto skaalataan uusiutuvilla energialähteillä, se voi mahdollistaa käytännöllisen puhtaasta vedestä huolehtimisen verkkoalueiden ulkopuolella ja eristetyillä alueilla.
Puhdas vesi ilmasta: ilman vesipitoisuuden perusteet
Monilla maailman alueilla makea vesi on arvokas hyödyke. Yksi vaihtoehto on meriveden suolattomuuteen saattaminen, mutta toistaiseksi tämä on hyvin energiankulutuksellinen lähestymistapa, vaikka aurinkoteknologian edistymisestä on ollut joitakin edistysaskelia.
Meriveden suolattomuuteen saattaminen ei ole mahdollista monilla sisämaan kuivilla alueilla, kuten esimerkiksi Keski-Aasiassa, Mongoliassa, Chilen vuoristossa tai useimmissa osissa Saharan autiomaata.
Toinen vaihtoehto on veden talteenotto ilmasta. Monet aavikot ovat todellakin hyvin kosteita, mutta ilmastollisista syistä niistä ei muodostu sadekuuroja tai pilviä.
Tämä on ilman vesipitoisuuden talteenoton lupaava mahdollisuus. Aikaisemmin olemme käsitelleet passiivisen jäähdytyksen ja piin materiaalin yhdistämistä, jolla voidaan parantaa painovoiman avulla tapahtuvan veden talteenoton tehokkuutta ja uusia adsorptiopolymeerejä, joilla voidaan myös parantaa tehokkuutta.
Tutkijat etsivät nyt lisää parannuksia ilman vesipitoisuuden talteenottoon, ja he ovat päässeet lähemmäs tieteiskirjallisuuden “tuulensieppari”-laitteita.
MIT-tutkijaryhmä on yhteistyössä saksalaisen SmarAct Metrology GmbH & Co. KG -yhtiön kanssa kehittänyt ultraäänilaitteiston, jolla voidaan parantaa ilman vesipitoisuuden adsorptiota. He ovat julkaisseet tuloksensa Nature Communications -julkaisussa1 otsikolla “Ilman vesipitoisuuden talteenotto ultraäänen avulla“.
Ilman vesipitoisuuden adsorptio selitetty
Yksi tapa talteen ottaa vettä ilmasta on käyttää polymeeri, joka “adsorboi” vettä.
Adsorptio on kiinteiden aineiden, “sorbtien”, kyky vetää itseensä molekyylejä kaasuista tai liuoksista, joilla ne ovat kosketuksissa – tässä tapauksessa ilman kaasumaisia vesihöyryjä ja ilmassa leijuvia vesisumuja.
Arkisen elämän adsorbentteja ovat esimerkiksi silikageli kaupallisissa pakkauksissa. Tämä on suhteellisen tehokas prosessi, jolla voidaan kerätä runsaasti ympäristön vettä.
Ongelma on saada polymeeri luopumaan vedestä. Yleensä tarvitaan noin 100 °C lämpötila, jotta polymeeri voidaan desorboida, mikä tekee prosessin hyvin energiatehokkaaksi ja kalliiksi.
“Mikä tahansa materiaali, joka on hyvin tehokas veden talteenottoon, ei halua luopua vedestä. Tarvitaan paljon energiaa ja kalliita tunteja, jotta vesi voidaan irrottaa materiaalista.”
Vaikka uudet polymeerit vaativat alempaa lämpötilaa, veden vapauttaminen lämmön avulla on hidasta prosessia, joka kestää kymmeniä minuutteja tai tunteja. Tämän vuoksi useimmat veden adsorptiojärjestelmät keräävät vettä yöllä ja vapauttavat sen päivällä auringon lämmön avulla.
Toisin sanoen ultraäänilaitteiston avulla veden talteenottosyklit voidaan lyhentää muutamiin minuutteihin, ja ne voidaan tehdä tarpeen mukaan.
Ultraäänen potentiaali
Ultraääni eli ultrasonic-aallot ovat akustisia paineaaltoja, jotka liikkuvat yli 20 kilohertsin (20 000 sykliä sekunnissa) taajuudella. Niitä käytetään yhä enemmän edistyneissä sovelluksissa, kuten bioprintingissä ja etävoiteisiin lääkinnällisissä laitteissa.
Näyttää siltä, että ultraääni värähtelee juuri oikealla taajuudella aiheuttaen veden molekyylien ja materiaalin, joka absorboi vettä, erottamisen.
Lähde: Nature Communications
Tutkijat suunnittelivat litium-titaanista ja titaanista valmistetun, litiumin ja titaanin yhdistelmästä valmistetun, pietsosähköistä keramiarenkaan, joka värähtelee, kun siihen käytetään jännitettä.
“Se on kuin vesi tanssii aaltojen mukana, ja tämä kohdennettu häiriö luo liikettä, joka vapauttaa veden molekyylit, ja voimme nähdä, kuinka ne pääsevät irti pisaroina.”
Veden adsorptioon tutkijat käyttivät useita eri tyypin PAM-LiCl AWH -hydrogeeliä, jotka erosivat joustavuudeltaan, ja jotka sisälsivät litium- ja kloridi-ioneja veden talteenottoon ilmasta.
Lähde: Nature Communications
Kun laite testattiin, se pystyi vapauttamaan tarpeeksi vettä kuivata kussakin näyte kymmenissä minuuteissa.
Elektronimikroskooppinen tarkastelu hydrogeeliä osoitti myös, että ultraääni ei vahingoittanut geeliä, mikä tekee laitteen käytännölliseksi käytössä.
Lähde: Nature Communications
Massiivinen tehokkuuden parantuminen
Koska lämpöpohjainen veden vapauttaminen tapahtui vain kerran, prosessin tehokkuus oli hyvin alhainen, jopa parhaimmillaan 9,5 %:n tehokkuudella.
Toisin sanoen MIT-järjestelmä voi tuottaa vettä useita kertoja päivässä, mikä johtaa tehokkuuteen, joka on jopa 428 %, eli 45-kertainen tehokkuuden lisäys.
Se on kaikki siinä, kuinka paljon vettä voidaan talteen ottaa päivässä”, hän sanoo. ”Ultraäänen avulla voimme palauttaa veden nopeasti ja toistaa prosessin useita kertoja. Se voi lisätä päivässä talteen otettavaa vettä.”
Vaikka laite hävitti hieman energiaa lämmön (Joulen ilmiön) muodossa, se on silti paljon tehokkaampi kuin kaikki muut veden talteenottomenetelmät, jotka on kehitetty tähän asti.
Swipe to scroll →
| Menetelmä | Energianlähde | Syklin nopeus | Tehokkuus (%) |
|---|---|---|---|
| Perinteinen lämpöpohjainen AWH | Aurinkolämpö | Tunteja syklissä | ~9,5% |
| MIT:n ultraäänilaitteisto | Sähkö (aurinko/tuuli) | 2 minuuttia syklissä | ~428% |
“Ihmiset ovat etsineet keinoja talteen ottaa vettä ilmasta, mikä voisi olla suuri veden lähde, erityisesti aavikoille ja alueille, joilla ei ole edes suolavettä, jota voidaan suolattaa.
Nyt meillä on keino talteen ottaa vettä nopeasti ja tehokkaasti.”
Käytännön käyttö aavikoilla ja eristetyillä alueilla
Aluksi parhaat sovellukset tälle laitteistolle ovat etäisillä aavikoilla, joilla on rajallinen pääsy sekä energiaan että puhtaaseen veteen.
Toisin kuin lämpöpohjainen adsorptio, tämä laite tarvitsee sähköä ultraäänen tuottamiseen, joten tarvitaan hajautettu energiantuotanto joko
- Aurinkopaneeleilla, kuten MIT:n kokeissa.
- Tuulella, joka voi toimia myös yöllä, kun kosteus on korkeampi, mikä mahdollistaa useamman 2 minuutin veden talteenottosyklit tunnissa.
- Uusiutuvalla energiantuotannolla ja akkusysteemillä, jotta laite voi toimia 24/7.
Kun tutkijat testasivat, mikä on ihanteellinen syklin taajuus, he löysivät, että ihanteellinen rytmi on antaa materiaalille imeä vettä tunnin ajan, sitten käyttää ultraääntä veden vapauttamiseen 2 minuutissa, ja toistaa sykliä.
Tärkeämpää on, että energian tarve veden talteenottoon ultraäänen avulla pysyi vakiona eikä vähentynyt hitaasti kuten lämpöpohjaisissa menetelmissä.
Lähde: Nature Communications
Tulevaisuuden parannukset ilman vesipitoisuuden talteenotossa
Seuraavan sukupolven sorbenttimateriaalit
Tässä menetelmässä käytettiin litiumhydrogeeliä, mutta on olemassa monia muita sorbenttimateriaaleja: muita hydrogeeliä, metalli-organisia kehyksiä, mikro- ja nanokuitumattoja ja niiden yhdistelmiä.
Jokainen niistä vaatii uudelleenarviointia ja uudelleensuunnittelua parantamaan yhteensopivuutta ultraäänen avulla tapahtuvan talteenoton kanssa.
Näiden muiden sorbenttien kuluminen on myös arvioitava.
Ultraäänen tehokkuuden parantaminen
NASA on suorittanut kokeita PZT-aktuaattoreilla jopa 100 miljardia sykliä 580 päivän ajan ja osoittanut, ettei ole havaittavissa vaurioita tai merkittävää suorituskyvyn laskua.
Ultraäänen tuottava osa laitteistosta on siis erittäin kestävä.
Kokeessa käytetty suunnittelu on kuitenkin suhteellisen tehokas muuttaa virtaa ultraääneksi, vain 17-19 %:n tehokkuudella.
1-3 komposiittipiezosähköinen transduktori-anturilaitteisto voisi saavuttaa jopa 35 %:n tehokkuuden.
Suuremmat PZT-pohjaiset ultraäänilaitteet voivat olla paljon tehokkaampia kuin tässä kokeessa testattu laitteisto. Kaiken kaikkiaan 1000 %:n tehokkuus on saavutettavissa PZT-materiaalin parantamisen kautta.
Kohti veden tuottavia tornia?
Toinen tärkeä parannus on, että ultraäänen avulla tapahtuva talteenotto ei vaadi sorbenttipinnan altistamista auringonvalolle. Laitteet voidaan pinota pystysuoraan toistensa päälle ilman mitään rajoituksia pystysuoran pinoutumisen määrään.
Sen sijaan, että tarvitaan laaja aurinkoaltis alue, voidaan rakentaa suuria vettä tuottavia tornia, joissa vesi virtaa jokaisesta pinotusta laitteesta.
Yritykset, jotka ratkaisevat veden puutteen
Xylem Inc.
(XYL )
Yhdessä Euroopan Veolian kanssa Xylem on johtava yritys vesipuhdistuksessa, jäteveden käsittelyssä ja suolattomuuteen saattamisessa. Se työllistää yli 23 000 henkilöä (joista 6 000 on insinöörejä) ja toimii 150 maassa, pääasiassa Yhdysvalloissa, jossa on 35 000 suoraa teollista asiakasta.
Sen päämarkkina on kunnallinen juomaveden ja jäteveden käsittely, mutta se tarjoaa myös veden liittyviä ratkaisuja muihin aloihin, kuten terveydenhuoltoon, voimaloihin, elintarvikkeisiin ja juomiin, öljyyn ja kaasuun, mikroelektroniikkaan jne.
Lähde: Xylem
Xylem voi toimittaa kriittiset, patentoidut laitteet veden puhdistamiseen tai tuottamiseen, kuten otsonigeneraattorit, UV-lamput, suolattomuuteen saattamisen membranit, ultra-puhtaan veden generaattorit jne.
Se toimittaa myös “yksinkertaisempia” laitteita, jotka ovat kriittisiä veden liittyville toimille, kuten turbiinit, pumput, putkistot, ruiskut, ohjelmistot jne., sekä myös huolto-, korjaus- ja asennuspalveluita, mikä tekee siitä yhden pysäkin useimpiin veden sovelluksiin.
Lähde: Xylem
Vesimarkkinat ovat edelleen hyvin hajautuneita, ja Xylem on yksi suurimmista yrityksistä alalla, mutta se omistaa vain noin 10 %:n markkinaosuuuden 80 miljardin dollarin kohdalla.
Yritys käyttää noin 4 %:n myyntituloistaan tutkimukseen ja kehitykseen. Se hyötyy uusista säännöksistä, jotka liittyvät PFAS-yhdisteisiin (per- ja polyfluorattuihin yhdisteisiin eli “ikuisiin kemikaaleihin”), joita tarvitaan yli 6 000 joukkovesityslaitteessa.
Xylem on kasvanut tasaisesti, ja sen nettovoitto on kasvanut 297 miljoonasta dollarista vuonna 2012 609 miljoonaan dollariin vuonna 2023, ja se on pitänyt 17-19 %:n EBITDA-marginaalinsa vakaana.
Kaiken kaikkiaan tämä tekee yrityksen sijoitusprofiilin enemmän kuin teollisuusyrityksen (joka on usein syklistä) ja enemmän kuin julkisen palvelun, joka kasvaa yleisen talouden tai hieman sen yläpuolella, kuten useimmat sen asiakkaat.
Uusimmat Xylem (XYL) -osakeuutiset ja kehitykset
Tutkimus
1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. Ilman vesipitoisuuden talteenotto ultraäänen avulla. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2
