अल्ट्रासाउंड तकनीक ने वायुमंडलीय जल संग्रहण को सुपरचार्ज किया

पतले हवा से स्वच्छ पानी: वायुमंडलीय जल संग्रहण मूल बातें

दुनिया के कई क्षेत्रों में, मीठा पानी महंगा है। एक विकल्प जल शोधन हो सकता है, लेकिन अब तक यह बहुत ऊर्जा‑गहन तरीका है, भले ही हाल ही में सौर तकनीक में कुछ प्रगति ने इसे वास्तविकता के करीब ला दिया है.

समुद्री जल का डीसालिनेशन कई अंतर्देशीय शुष्क क्षेत्रों के लिए भी विकल्प नहीं है, जैसे कि मध्य एशिया, मंगोलिया, चिली के पहाड़ या सहारा रेगिस्तान का अधिकांश हिस्सा।

एक अन्य विकल्प हवा में मौजूद पानी को पकड़ना है। कई रेगिस्तान वास्तव में अपेक्षाकृत उच्च वायुमंडलीय नमी रखते हैं, लेकिन जलवायु कारणों से वे बारिश और बादल नहीं बनाते।

यह वायुमंडलीय जल संग्रहण का वादा है। हमने पहले कैसे निष्क्रिय शीतलन को सिलिकॉन कोटिंग के साथ मिलाकर गुरुत्वाकर्षण‑आधारित जल संग्रहण की दक्षता बढ़ाई जा सकती है और कैसे नए adsorption polymers भी मदद कर सकते हैं को कवर किया था।

शोधकर्ता अब वायुमंडलीय आर्द्रता संग्रहण में आगे सुधार की तलाश कर रहे हैं, जिससे हमें विज्ञान‑कथा जल संग्रहण “विंडट्रैप” के करीब ले जाया जा सके।

MIT की एक टीम, जर्मन कंपनी SmarAct Metrology GmbH & Co. KG के सहयोग से, ने वायुमंडलीय जल adsorption की दक्षता बढ़ाने के लिए अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया। उन्होंने अपने परिणाम “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction” शीर्षक से Nature Communications¹ में प्रकाशित किए।

वायुमंडलीय जल adsorption की व्याख्या

हवा से पानी संग्रह करने की एक विधि यह है कि एक polymer का उपयोग किया जाए जो “adsorb” करता है।

Adsorption वह क्षमता है जिसके द्वारा ठोस पदार्थ, जिन्हें “sorbent” कहा जाता है, गैस या घोल के अणुओं को अपनी सतह से आकर्षित करते हैं – इस मामले में, जल वाष्प और हवा में निलंबित जल बूँदें।

दैनिक जीवन में, हम सिलिका जेल जैसे sorbent पदार्थों को व्यावसायिक पैकेजिंग में देखते हैं। यह वास्तव में एक अपेक्षाकृत कुशल प्रक्रिया है, और यह बहुत सारा परिवेशीय पानी इकट्ठा कर सकती है।

स्रोत: Osaka Metropolitan University

समस्या यह है कि polymer से वह पानी कैसे रिलीज़ किया जाए। आमतौर पर, इन polymers को desorb करने के लिए लगभग 100 °C का ताप आवश्यक होता है, जिससे यह बहुत ऊर्जा‑अक्षम और महंगा बन जाता है।

“कोई भी पदार्थ जो पानी को बहुत अच्छी तरह पकड़ता है, वह वह पानी छोड़ना नहीं चाहता। इसलिए आपको पदार्थ से पानी निकालने के लिए बहुत सारी ऊर्जा और कीमती घंटे लगाने पड़ते हैं।”
Svetlana Boriskina, -प्रमुख्य अनुसंधान वैज्ञानिक

नए polymers के साथ भी कम तापमान पर पानी रिलीज़ करने की समस्या यह है कि हीट‑आधारित प्रक्रिया धीमी होती है, जिसके लिए दसियों मिनट या घंटे लगते हैं। परिणामस्वरूप, अधिकांश जल adsorption प्रणालियों को रात में पानी पकड़ना पड़ता है और दिन में सूर्य के ताप से इसे रिलीज़ करना पड़ता है।

इसके विपरीत, अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके जल संग्रहण समय को केवल कुछ मिनटों तक घटाया जा सकता है और यह मांग पर किया जा सकता है।

अल्ट्रासाउंड की संभावनाएँ

अल्ट्रासाउंड, या अल्ट्रासोनिक तरंगें, ध्वनिक दबाव तरंगें हैं जो 20 kHz (20,000 चक्र प्रति सेकंड) से अधिक आवृत्तियों पर यात्रा करती हैं। इन्हें उन्नत अनुप्रयोगों में बढ़ती हुई उपयोग किया जा रहा है, जैसे बायोप्रिंटिंग और दूरस्थ चिकित्सा उपकरणों को पावर देना।

ऐसा प्रतीत होता है कि अल्ट्रासाउंड सही आवृत्ति पर कंपन करता है जिससे जल अणुओं और उस सामग्री के बीच विभाजन होता है जिसने उन्हें अवशोषित किया था।

स्रोत: Nature Communications

शोधकर्ताओं ने एक सपाट सिरेमिक रिंग डिज़ाइन किया जो lead zirconate titanate (PZT) से बना है, और जब वोल्टेज लागू किया जाता है तो यह कंपन करता है।

“जैसे पानी तरंगों के साथ नाच रहा हो, और यह लक्षित व्यवधान गति बनाता है जो जल अणुओं को रिलीज़ करता है, और हम उन्हें बूँदों में बाहर झटकते देखते हैं।”
Svetlana Boriskina, -प्रमुख्य अनुसंधान वैज्ञानिक

जल को adsorb करने के लिए, उन्होंने विभिन्न elasticity वाले PAM‑LiCl AWH हाइड्रोजेल का उपयोग किया, जिनमें सभी में लिथियम और क्लोराइड आयन शामिल थे ताकि हवा से पानी पकड़ा जा सके।

स्रोत: Nature Communications

परीक्षण में, उपकरण ने कुछ ही मिनटों में प्रत्येक नमूने को सूखा देने के लिए पर्याप्त पानी को झटका दिया।

इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से हाइड्रोजेल की जांच से यह भी साबित हुआ कि अल्ट्रासाउंड ने जेल को नुकसान नहीं पहुँचाया, जिससे यह व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त टिकाऊ साबित हुआ।

स्रोत: Nature Communications

भारी दक्षता सुधार

अब तक, हीट‑आधारित जल रिलीज़ केवल एक बार ही होता था, इसलिए प्रक्रिया की दक्षता बहुत कम थी, यहाँ तक कि अत्याधुनिक उपकरण की दक्षता केवल 9.5 % थी।

इसके विपरीत, MIT प्रणाली दिन भर में बार‑बार पानी उत्पन्न कर सकती है, जिससे दक्षता 428 % तक पहुँचती है, अर्थात् दक्षता में 45‑गुना वृद्धि।

“यह इस बात पर निर्भर करता है कि आप एक दिन में कितना पानी निकाल सकते हैं,” वह कहती हैं। “अल्ट्रासाउंड के साथ, हम जल्दी पानी पुनः प्राप्त कर सकते हैं, और बार‑बार चक्रित कर सकते हैं। इससे एक दिन में बहुत अधिक पानी मिल सकता है।”
Svetlana Boriskina, -प्रमुख्य अनुसंधान वैज्ञानिक

हालांकि उपकरण थोड़ा ऊर्जा हीट (जूल प्रभाव) में बर्बाद करता है, फिर भी यह अब तक विकसित सभी अन्य जल संग्रहण विधियों की तुलना में अत्यधिक अधिक कुशल है।

“लोग वायुमंडल से पानी संग्रह करने के तरीकों की तलाश में रहे हैं, जो विशेष रूप से रेगिस्तानी क्षेत्रों और उन जगहों के लिए बड़ा जल स्रोत हो सकता है जहाँ नमकीन पानी भी डीसालिनेशन के लिए उपलब्ध नहीं है।

अब हमारे पास जल्दी और कुशलता से पानी पुनः प्राप्त करने का तरीका है।

“
Svetlana Boriskina, -प्रमुख्य अनुसंधान वैज्ञानिक

शुष्क और दूरस्थ क्षेत्रों में वास्तविक जीवन में तैनाती

शुरुआत में, इस उपकरण का सबसे उपयुक्त उपयोग दूरस्थ रेगिस्तानी क्षेत्रों में होगा जहाँ ऊर्जा और मीठे पानी की बुनियादी ढाँचा दोनों ही सीमित हैं।

हीट‑आधारित adsorption के विपरीत, इस उपकरण को अल्ट्रासाउंड उत्पन्न करने के लिए विद्युत शक्ति की आवश्यकता होगी, इसलिए विकेंद्रीकृत ऊर्जा उत्पादन आवश्यक होगा, चाहे वह:

• MIT के प्रयोगों में उपयोग किए गए सौर पैनलों के माध्यम से।
• पवन ऊर्जा के साथ, जो रात में काम कर सकती है, जब नमी अधिक होती है, जिससे प्रति घंटे अधिक 2‑मिनट जल संग्रहण चक्र संभव होते हैं।
• नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन + बैटरी सिस्टम के साथ 24/7 चलाने के लिए।

इष्टतम चक्र आवृत्ति का परीक्षण करते समय, शोधकर्ताओं ने पाया कि आदर्श ताल इस प्रकार है: सामग्री को 1 घंटे तक पानी अवशोषित करने दें, फिर अल्ट्रासाउंड से 2 मिनट में रिलीज़ करें, और इस चक्र को दोहराएँ।

और अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि अल्ट्रासाउंड के साथ पानी निकालने के लिए आवश्यक ऊर्जा स्थिर रही, जबकि हीट‑आधारित विधियों में धीरे‑धीरे गिरावट देखी गई।

स्रोत: Nature Communications

वायुमंडलीय जल संग्रहण में भविष्य के सुधार

अगली पीढ़ी के sorbent पदार्थ

यह विधि लिथियम हाइड्रोजेल का उपयोग करती थी, लेकिन कई अन्य sorbent पदार्थ मौजूद हैं: अन्य हाइड्रोजेल, धातु‑ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क, माइक्रो‑और नैनो‑फ़ाइबर मैट, और इन पदार्थों के संयोजन।

प्रत्येक को वैकल्पिक निष्कर्षण विधि के साथ उसकी संगतता बढ़ाने के लिए पुनः‑मूल्यांकन और पुनः‑इंजीनियरिंग की आवश्यकता होगी।

इन अन्य sorbents की क्षय‑प्रतिरोधी क्षमता का भी मूल्यांकन करना आवश्यक होगा।

अल्ट्रासाउंड दक्षता में सुधार

NASA ने PZT एक्ट्यूएटर पर 580 दिन (लगभग 100 अर्ब चक्र) तक परीक्षण किए और कोई स्पष्ट क्षति या प्रदर्शन में उल्लेखनीय गिरावट नहीं पाई, इसलिए अल्ट्रासाउंड‑उत्पन्न भाग को अत्यधिक टिकाऊ माना जाता है।

हालाँकि, इस प्रयोग में उपयोग किया गया डिज़ाइन पावर को अल्ट्रासाउंड में बदलने में अपेक्षाकृत अक्षम है, जिसकी दक्षता केवल 17‑19 % है।

एक 1‑3 कंपोज़िट पाईज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर एरे डिवाइस, एकल रिंग‑आकार के एक्ट्यूएटर के बजाय, 35 % तक की दक्षता हासिल कर सकता है।

बड़े PZT‑आधारित अल्ट्रासाउंड भी यहाँ परीक्षण किए गए छोटे प्रयोगात्मक उपकरण की तुलना में बहुत अधिक कुशल हो सकते हैं। इसलिए, PZT सामग्री को कैलिब्रेट और सुधारते हुए 1 000 % या उससे अधिक दक्षता प्राप्त करना संभव हो सकता है।

पानी उत्पन्न करने वाले टावर्स की ओर?

एक महत्वपूर्ण सुधार यह है कि अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण को सूर्य के प्रकाश में sorbent सतह को उजागर करने की आवश्यकता नहीं होती। इसलिए उपकरणों को एक‑दूसरे के ऊपर लंबवत रूप से स्टैक किया जा सकता है, बिना सिद्धांत में ऊर्ध्वाधर पंक्तियों की संख्या पर कोई सीमा के।

बड़े‑पैमाने के सूर्य‑प्रकाश‑क्षेत्र के बजाय, बड़े टावर्स बनाए जा सकते हैं जो प्रत्येक स्टैक किए गए उपकरण से पानी को प्रवाहित करके अधिक केंद्रीकृत डिज़ाइन प्रदान करेंगे।

जल संकट का समाधान करने वाली कंपनियाँ

यूरोपीय Veolia के साथ मिलकर, Xylem जल शोधन, अपशिष्ट जल उपचार, और डीसालिनेशन में वैश्विक नेता है। यह 23 000 से अधिक कर्मचारियों (जिसमें 6 000 से अधिक इंजीनियर) को रोजगार देता है और 150 देशों में कार्य करता है, मुख्यतः USA में, जहाँ 35 000 से अधिक सीधे औद्योगिक ग्राहक हैं।

इसका मुख्य बाजार नगरपालिका पेयजल और अपशिष्ट जल है, लेकिन यह स्वास्थ्य‑सेवा, ऊर्जा, खाद्य‑पेय, तेल‑गैस, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स आदि जैसे अन्य क्षेत्रों को भी जल‑संबंधित विशेष समाधान प्रदान करता है।

स्रोत: Xylem

Xylem जल को शुद्ध या उत्पन्न करने वाले महत्वपूर्ण पेटेंटेड उपकरण प्रदान कर सकता है, जैसे ओज़ोन जनरेटर, UV लैंप, डीसालिनेशन मेम्ब्रेन, अल्ट्रा‑शुद्ध जल जनरेटर आदि।

लेकिन यह “सरल” उपकरण भी प्रदान करता है जो जल‑संबंधित संचालन के लिए समान रूप से महत्वपूर्ण हैं, जैसे टर्बाइन, पंप, पाइपिंग, इंजेक्शन, सॉफ़्टवेयर आदि, साथ ही रखरखाव, मरम्मत, और स्थापना सेवाएँ, जिससे यह अधिकांश जल अनुप्रयोगों के लिए एक‑स्टॉप शॉप बन जाता है।

स्रोत: Xylem

जल बाजार अभी भी बहुत विभाजित है, जहाँ Xylem इस क्षेत्र की सबसे बड़ी कंपनियों में से एक है, लेकिन फिर भी यह अपने $80 बिलियन के लक्ष्य‑बाजार में केवल 10 % बाजार हिस्सेदारी रखता है।

कंपनी अपनी बिक्री का लगभग 4 % अनुसंधान‑और‑विकास पर खर्च करती है। इसे PFAS (पर‑और पॉलिफ्लुओरोएल्काइल पदार्थ, स्थायी रसायन) से संबंधित नई नियामकों से लाभ होना चाहिए, जहाँ 6 000 से अधिक उपयोगिता सुविधाओं को ऐसे PFAS उपचार की आवश्यकता है।

Xylem लगातार बढ़ रहा है, शुद्ध आय 2012 में $297 मिलियन से 2023 में $609 मिलियन तक बढ़ी है, जबकि EBITDA मार्जिन 17‑19 % के स्थिर स्तर पर बना रहा है।

समग्र रूप से, यह कंपनी का निवेश प्रोफ़ाइल एक औद्योगिक कंपनी (अक्सर चक्रीय) की तुलना में एक उपयोगिता कंपनी के समान बनाता है, जो समग्र अर्थव्यवस्था के साथ या उससे थोड़ा तेज़ी से बढ़ती है, जैसे इसके अधिकांश ग्राहक।

नवीनतम Xylem (XYL) स्टॉक समाचार और विकास

उल्लेखित अध्ययन

^{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}