Keberlanjutan
Teknologi Ultrasound Supercharger Pengumpulan Air Atmosfer
TL;DR
Perangkat ultrasound MIT dapat mengekstrak air dari udara lembab hingga 45× lebih efisien daripada sistem berbasis panas, memotong siklus dari jam menjadi menit. Jika disesuaikan dengan energi terbarukan, itu bisa memungkinkan generasi air bersih praktis di luar jaringan di daerah kering dan terpencil.
Air Bersih Dari Udara Tipis: Dasar-Dasar Pengumpulan Air Atmosfer
Di banyak wilayah di dunia, air bersih sangat berharga. Salah satu pilihan untuk mengaksesnya bisa melalui desalinasi, tetapi sampai sekarang, ini merupakan pendekatan yang sangat intensif energi, meskipun beberapa kemajuan dalam teknologi surya telah membuatnya lebih dekat dengan kenyataan.
Desalinasi air laut juga bukanlah pilihan untuk banyak daerah pedalaman kering, seperti, misalnya, Asia Tengah, Mongolia, pegunungan Chile, atau sebagian besar Gurun Sahara.
Pilihan lainnya adalah menangkap air yang ada di udara. Banyak gurun sebenarnya memiliki kelembaban atmosfer yang cukup tinggi, tetapi karena alasan iklim, mereka tidak membentuk hujan dan awan.
Ini adalah janji dari pengumpulan air atmosfer. Kami sebelumnya membahas bagaimana pendinginan pasif yang dicampur dengan lapisan silikon dapat meningkatkan efisiensi pengumpulan air berbasis gravitasi dan bagaimana polimer adsorpsi baru dapat membantu juga.
Peneliti sekarang sedang melihat perbaikan lebih lanjut pada pengumpulan kelembaban atmosfer, membawa kita lebih dekat ke sains fiksi pengumpulan air “windtrap” dari alam semesta Dune.
Tim MIT, bekerja sama dengan perusahaan Jerman SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, telah menggunakan ultrasound untuk meningkatkan efisiensi adsorpsi air atmosfer. Mereka menerbitkan hasilnya di Nature Communications1, dengan judul “Pengumpulan Air Atmosfer Berkinerja Tinggi yang Diaktifkan oleh Ekstraksi Ultrasonik”.
Adsorpsi Air Atmosfer Dijelaskan
Metode untuk mengumpulkan air dari udara adalah dengan menggunakan polimer yang “adsorpsi” air.
Adsorpsi adalah kemampuan zat padat, disebut “sorbent”, untuk menarik molekul gas atau larutan dengan yang mereka hubungi dengan permukaan mereka – dalam hal ini, uap air dan tetesan air yang tersuspensi di udara.
Dalam kehidupan sehari-hari, kita mengenal bahan adsorben seperti silika gel dalam kemasan komersial. Ini sebenarnya merupakan proses yang cukup efisien, dan dapat mengumpulkan banyak air lingkungan.
Sumber: Osaka Metropolitan University
Masalahnya adalah membuat polimer melepaskan air tersebut. Biasanya, panas sekitar 100°C diperlukan untuk melepaskan polimer ini, yang, tentu saja, membuatnya sangat tidak efisien dan mahal.
“Bahan apa pun yang sangat baik dalam menangkap air tidak ingin melepaskannya. Jadi Anda perlu memasukkan banyak energi dan waktu berharga untuk menarik air dari bahan tersebut.”
Bahkan suhu yang lebih rendah dengan polimer baru memiliki masalah bahwa pelepasan air menggunakan panas adalah proses yang lambat, memakan waktu beberapa menit atau jam. Akibatnya, sebagian besar sistem adsorpsi air perlu menangkap air pada malam hari dan melepaskannya selama siang hari dengan panas dari Matahari.
Sebaliknya, menggunakan ultrasonik bisa memperkecil waktu pengumpulan air menjadi hanya beberapa menit dan bisa dilakukan sesuai permintaan.
Potensi Ultrasonik
Ultrasonik, atau gelombang tekanan akustik, adalah gelombang tekanan yang bergerak pada frekuensi lebih dari 20 kilohertz (20.000 siklus per detik). Mereka semakin banyak digunakan untuk aplikasi lanjutan, seperti bioprinting dan pengisian daya perangkat medis jarak jauh.
Tampaknya ultrasonik bergetar pada frekuensi yang tepat untuk menyebabkan pemisahan molekul air dan bahan yang menyerapnya.
Sumber: Nature Communications
Peneliti merancang cincin keramik datar yang terbuat dari zirkonat timbal titanat (PZT), yang bergetar ketika tegangan diterapkan.
“Ini seperti air menari dengan gelombang, dan gangguan yang ditargetkan ini menciptakan momentum yang melepaskan molekul air, dan kita bisa melihatnya bergetar dalam tetesan.”
Untuk menyerap air, mereka menggunakan beberapa jenis hidrogel PAM-LiCl AWH yang bervariasi dalam elastisitas, yang semua mengandung ion litium dan klorida untuk menangkap air dari udara.
Sumber: Nature Communications
Ketika diuji, perangkat tersebut dapat mengeluarkan air yang cukup untuk mengeringkan setiap sampel dalam beberapa menit.
Pemeriksaan hidrogel dengan mikroskop elektron juga membuktikan bahwa ultrasonik tidak merusak gel, membuat perangkat ini cukup tahan lama untuk penggunaan praktis.
Sumber: Nature Communications
Peningkatan Efisiensi Masif
Karena sampai sekarang pelepasan air yang dipicu panas hanya terjadi sekali, efisiensi prosesnya sangat rendah, bahkan dengan perangkat canggih sekalipun hanya sekitar 9,5% efisiensi.
Sebaliknya, sistem MIT dapat menghasilkan air berulang kali sepanjang hari, menghasilkan efisiensi setinggi 428%, atau peningkatan efisiensi 45 kali lipat.
“Semua tentang berapa banyak air yang bisa diekstrak per hari,” katanya. “Dengan ultrasonik, kita bisa memulihkan air dengan cepat, dan siklus lagi dan lagi. Itu bisa menambahkan banyak per hari.”
Jadi, sementara perangkat tersebut membuang sedikit energi dalam bentuk panas (efek Joule), itu masih jauh lebih efisien daripada semua metode pengumpulan air lainnya yang dikembangkan sampai sekarang.
Swipe to scroll →
| Metode | Sumber Energi | Kecepatan Siklus | Efisiensi (%) |
|---|---|---|---|
| Pengumpulan Air Atmosfer Berbasis Panas Tradisional | Panah Matahari | Jam per siklus | ~9,5% |
| Ekstraksi Ultrasonik MIT | Listrik (surya/angin) | 2 menit per siklus | ~428% |
“Orang-orang telah mencari cara untuk mengumpulkan air dari atmosfer, yang bisa menjadi sumber air yang besar, terutama untuk daerah gurun dan tempat-tempat di mana tidak ada air laut untuk didesalinasi.
Sekarang kita memiliki cara untuk memulihkan air dengan cepat dan efisien.”
Penggelaran Nyata di Daerah Kering dan Terpencil
Pada awalnya, aplikasi terbaik dari perangkat ini akan untuk daerah gurun terpencil dengan akses terbatas ke energi dan infrastruktur air bersih.
Berbeda dengan adsorpsi berbasis panas, perangkat ini akan memerlukan daya listrik untuk membuat ultrasonik, sehingga produksi energi terdesentralisasi akan diperlukan, baik dengan:
- Panel surya seperti yang digunakan dalam eksperimen MIT.
- Dengan angin, yang bisa bekerja pada malam hari, ketika kelembaban lebih tinggi, memungkinkan lebih banyak siklus pengumpulan air 2 menit per jam.
- Dengan sistem pembangkit energi terbarukan + baterai untuk menjalankan 24/7.
Ketika menguji frekuensi siklus ideal, peneliti menemukan bahwa ritme ideal adalah membiarkan bahan menyerap air selama 1 jam, kemudian menggunakan ultrasonik untuk melepaskannya dalam 2 menit, dan mengulangi siklus.
Lebih penting lagi, energi yang diperlukan untuk mengekstrak air dengan ultrasonik tetap konstan, bukan melihat penurunan lambat seperti pada metode berbasis panas.
Sumber: Nature Communications
Perbaikan Masa Depan dalam Pengumpulan Air Atmosfer
Bahan Sorben Generasi Berikutnya
Metode ini menggunakan hidrogel litium, tetapi banyak bahan sorben lainnya ada: hidrogel lain, kerangka logam-organik, matras serat mikro- dan nano-, dan kombinasi dari bahan-bahan ini.
Masing-masing akan perlu dievaluasi dan direkayasa ulang untuk meningkatkan kompatibilitasnya dengan metode ekstraksi alternatif.
Kemampuan resistensi degradasi dari sorben lainnya juga perlu dievaluasi.
Meningkatkan Efisiensi Ultrasonik
Mengingat NASA melakukan tes pada aktuator PZT, untuk hingga 100 miliar siklus selama 580 hari dan mengungkapkan tidak ada kerusakan yang dapat dilihat atau penurunan kinerja yang substansial, bagian ultrasonik-penghasil dari perangkat ini diharapkan sangat tahan lama.
Namun, desain yang digunakan dalam eksperimen ini relatif tidak efisien dalam mengubah daya menjadi ultrasonik, dengan hanya 17 hingga 19% efisiensi.
Sebuah perangkat array transduser piezoelektrik komposit 1-3, bukan aktuator cincin tunggal, bisa mencapai hingga 35% efisiensi.
Ultrasonik PZT yang lebih besar juga bisa jauh lebih efisien daripada perangkat eksperimental kecil yang diuji di sini. Jadi, secara keseluruhan, efisiensi 1.000% atau lebih bisa dicapai dengan kalibrasi dan perbaikan bahan PZT yang digunakan.
Menuju Menara Pembangkit Air?
Perbaikan penting lainnya adalah bahwa ekstraksi ultrasonik tidak memerlukan paparan permukaan sorben ke sinar matahari. Jadi, perangkat tersebut bisa ditumpuk secara vertikal di atas satu sama lain tanpa batasan dalam prinsip untuk jumlah baris vertikal.
Sebagai gantinya, menara besar yang mengalirkan air dari setiap perangkat yang ditumpuk bisa dibangun untuk desain yang lebih terpusat.
Perusahaan yang Memecahkan Kekurangan Air
Xylem Inc.
(XYL )
Studi yang Dijadikan Referensi
1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. Pengumpulan Air Atmosfer Berkinerja Tinggi yang Diaktifkan oleh Ekstraksi Ultrasonik. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2
