エネルギー
大気水収集 – 重力を活用してこの技術を進化させる方法
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水はおそらく地球が抱える最も貴重な資源です。地球の70％を覆っているにもかかわらず、私たちが飲料や入浴、農地の灌漑に使用する淡水は不足しています。世界の水のうち淡水はわずか3％です。さらに、その3％のうちの3分の2は氷河に凍結しているか、利用できません。
水不足の結果は世界中に反映されています。全球的に、約11億人が水へのアクセスがありません。世界では27億人が少なくとも1か月は水不足に苦しんでいます。
水不足は、適切な衛生が確保できないなど多くの他の問題も引き起こします。これは24億人が脆弱になり、コレラや腸チフスなどの疾患にさらされる問題であり、他の致命的な下痢性疾患も多数あります。
人口増加と水への需要拡大は常に対立してきました。地球の人口が増えるほど、水システムへの負荷が高まります。
上昇する汚染レベルは地球の河川、湖、帯水層に大きな影響を与えています。さらに悲しいことに、世界の湿地の半数以上が消失しています。
科学界が時代に合わせて進化し、失われつつある水に対抗する解決策を提供できなければ、農業システムはすぐに十分な水を確保できず、食料不安など多くの問題を招くでしょう。
しかし幸いなことに、世界中の科学界はこの課題に取り組んでいます。本日は、次のセグメントでそのような画期的な解決策の一つを紹介し、さらに詳しく掘り下げます。
重力だけで空気から水を抽出する装置
国際的な研究者チーム（KAUSTのGan Qiaoqiang教授が率いる）が、電力を必要とせず、重力だけで空気から水を抽出できる装置を設計しました。この装置は高価なエネルギー供給が不要で、安価で入手しやすい材料で製造可能です。
実験論文『Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting』は、大気水収集の効率化を目指しています。
水収集プロセスは放射冷却において大幅に改善されます。放射冷却は凝縮器の温度を周囲温度より大幅に下げ、追加エネルギーなしで大気水収集を可能にします。
放射冷却システムが直面する課題の一つは、従来の空に向けた凝縮器が冷却能力密度が低く、水滴が表面にピン留まりし、能動的な凝縮物回収が必要になることです。
研究はこの問題への解決策として、潤滑表面（LS）コーティングを提案しました――高いスケーラビリティを持つポリジメチルシロキサンエラストマーにシリコンオイルで潤滑し、垂直二面構造の凝縮側に適用したものです。
この設計の利点は複数あります。まず、局所的な冷却能力を実質的に2倍にします。
次に、接触線のピン留まりを排除し、受動的で重力駆動の水収集を可能にします。その結果、人工的な湿潤空気の流れがなくても、屋外環境で0×30 cm²サンプルからのAWH容量が向上しました。
潤滑表面（LS）コーティングの受動的な水収集速度は21 g·m⁻²·h⁻¹に達し、超疎水性表面の10 g·m⁻²·h⁻¹の約2倍でした。屋内環境では性能がさらに向上し、理論上限の最大87％の凝縮速度を達成し、総凝縮水の90％までを受動的に回収できました。
適切に行われた大気水収集の利点
大気中の水は、地球上のすべての河川の淡水の6倍に相当します。 Gan教授によると：
「この水は大気水収集技術で回収可能です。」
上記のソリューションで効率的にプロセスが行われると、採用者にとってさらに有利になります。システムの利点について詳しく述べると、Gan教授の研究グループのポストドクトラル研究員であるDan Danielは次のように語っています、
「このシステムは電力を消費せず、エネルギー節約につながります。さらに、コンプレッサーやファンといった機械部品に依存しないため、従来システムに比べてメンテナンスが削減され、さらなるコスト削減が実現します。」
Dan Danielの観察に対し、チームの別のポストドクトラル研究員であるShakeel Ahmadは次のように付け加えました：
「我々のコーティングはピン留まりを効果的に排除し、真に受動的な水収集を実現しました。」
総合すると、システムは大気水収集の品質を大幅に向上させ、AWHをますます重要なソリューションにしています。
太陽エネルギーが単にクリーンエネルギーを提供するだけでなく、乾燥地域でクリーンな水を生成できる方法についてはこちらをご覧ください。
大気水収集システムの進展
2023年10月、科学誌『Energy』に掲載された記事が、技術、性能、再生可能エネルギーソリューション、そしてAWH手法に関する実現可能性の包括的レビューを実施しました。このレビューは、大気水収集が12,900 km³という膨大な淡水源となり得ることを強調しました。
「大気水収集システムは近年人気が高まっており、乾燥地域で持続可能な水源を提供します。」
以下のセクションでは、除湿・凝縮、蒸気圧縮冷凍サイクル（VCRC）、熱電クーラー（TEC）、エアコンユニット、燃料電池、統合システムなど、これらの進展について見ていきます。
除湿凝縮
除湿型水収集技術は太陽光、風力、または電力からエネルギーを得ます。これらの技術はコンプレッサー/冷媒ベースまたは吸湿剤ベースのいずれかです。
第一種は露点凝縮により動作し、冷たい表面上で水蒸気が凝縮します。一方、第二種は吸湿剤で水蒸気を飽和させ、加熱して放出し、冷たい環境空気と接触させることで過飽和水蒸気が表面に凝縮します。
蒸気圧縮冷凍サイクル（VCRC）
このプロセスは、蒸気が圧縮され、次に水または空気で凝縮され、バルブまたはエンジンで低圧・低温に膨張する仕組みを指します。
熱電クーラー
2023年、国際情報工学技術協会（IIETA）は、熱電冷却技術を用いた大気水収集に関する研究を発表しました。
この研究は、平均大気湿度が75％から85％のインドネシアにおいて、大気中の空気を代替のクリーンな水源として活用し、水不足を緩和する可能性を探ることを目的としました。
研究者は熱電クーラー（TEC 1-12706）を使用し、熱側にヒートシンクとファンを追加して放熱を強化しました。銅製の冷却コイルは、熱吸収器兼大気空気の凝縮器として機能しました。
コイル（直径=7.9mm、長さ=1000mm）の冷却源は、クーラーの冷側に取り付けられたウォーターブロックから得られました。実験設定には、実験室、住宅地域、海岸地域など、すべての可能な環境設定が含まれ、ヒートシンク冷却ファンの風量が変化しました。
データは湿度範囲72.27％〜83.01％で収集され、結果はヒートシンク冷却ファンの空気質量流量と空気から抽出できる水量との直接的な相関関係を示しました。
実験は、環境タイプが抽出される水量に与える影響について興味深い洞察も提供しました。海岸地域では実験室や住宅地域よりも多くの水が抽出できました。
具体的には、海岸地域の空気質量流量は0.092 kg/sで、抽出可能な水は7.75 ml/時間でした。実験室では5.5 ml/時間、住宅地域では4.75 ml/時間に低下しました。研究者は、エアクーラーとコイル表面との接触面積を最大化することで水抽出量を増やせると理解しました。
エアコンユニット
2024年6月、ジャーナル『Case Studies in Chemical and Environmental Engineering』に掲載された研究論文は、エアコンシステムからの水生産の可能性を従来とは異なる供給源として評価しました。
具体的には、研究は凝縮水の物理的・化学的特性を調査し、エアコンシステムで生成された凝縮水サンプル中の重金属の存在を検証しました。
評価の目的は、ジョルダンの飲料水基準とFAOの灌漑用水ガイドラインが定める基準を満たすことを確認することでした。
この研究は、再生可能淡水資源が極めて乏しく、2021年の一人当たり利用可能量が約61立方メートルと低い、世界で最も経済的に恵まれない国の一つであるヨルダンで実施されました。
試験結果は、サンプルが主に飲料水基準（20°C以下）と灌漑用処理水基準（25°C以下）で定められた許容限度を満たしていることを示しました。サンプルの温度範囲は16°Cから20°Cで、平均は18°Cでした。凝縮水サンプルのpHは7.16から7.25で、平均は7.20でした。
燃料電池
別の研究が、2020年12月号の『Applied Energy』に掲載され、燃料電池の電気化学的水を蒸気圧縮サイクル型大気水生成装置（VCC-AWG）で再利用することを提案しました。
このソリューションは、燃料電池の排ガスを利用し、自然大気よりも高い相対湿度でVCC-AWGに導入し、環境熱交換器を通して電気化学的廃熱を除去しました。
研究者は、相対湿度が高いほどエネルギー入力あたりの淡水産出が増加すると提案しました。結果は、相対湿度0.75で2 kWの燃料電池を追加すると、最大3 kg/時の淡水が生成され、燃料電池を使用しない場合と比べて50％増加したことを示しました。
特定エネルギー消費が200 Wh/kgであることから、VCC-AWGは燃料電池の出力をわずかに犠牲にしながら統合可能です。
統合システム
最後に、複数の研究者が吸湿ホイールと蒸発冷却器を組み合わせ、冷却空気と凝縮水の両方を供給する革新的な統合システムを提案しています。
さらに重要なのは、これらの統合システムが乾燥環境で卓越した水収集能力を示したことです。例えば、ある実験のデータによれば、1立方メートルの除湿システムが相対湿度50〜70％の条件下で、カタールの家庭に1日あたり15リットル以上の淡水を供給できました。
世界中の科学コミュニティが大気水収集の可能性を継続的に探求し、その境界を押し広げている一方で、企業は大量採用に適したソリューションを提供しています。次のセクションでは、そうした企業のうちいくつかを簡潔に紹介します。
#1. Atoco
出典: Atoco
Atocoの水収集技術は、相対湿度20％未満の乾燥条件下でも大気から純水を捕捉・生成することが可能です。
我々が議論の出発点とした研究と同様に、Atocoのソリューションは電力を使用せず受動的に動作でき、オフグリッドでゼロカーボンフットプリントを実現します。
Atocoが使用する新規レチキュラー材料により生成される水は極めて純度が高く、追加のろ過が不要です。飲料水に関してはWHOおよびEPA基準、農業用水に関してはFAOの水質基準を完全に満たしています。
Prof. Omar Yaghi（レチキュラー化学の父）によって設立されたAtocoは、気候変動の原因と結果の両方に取り組み、持続可能で回復力があり、変革的な大気水収集分野のソリューションを開発することで、地球温暖化と水不足に対処できると考えています。
#2. Watergen
Watergenは、イスラエルの先駆的企業であり、大気飲料水装置（AWG）市場の世界的リーダーです。同社は、最も効果的かつ経済的に飲料水を生成できる機械を提供しています。そのソリューションは、世界65か国以上で展開されています。
商用のGen-Lソリューションは1日最大6,000リットルを生産でき、コンパクトなGennyソリューションは1日30リットルを提供します。これら二つの製品ライン間で、あらゆるニーズに対応するソリューションがあります。
2022年、WatergenはSMV Jaipuria Groupとの戦略的合弁事業を発表し、今後2〜3年で5,000万米ドル以上の投資を計画し、インドで大気から水を生成する技術製品を導入します。
結論
総合すると、世界は水不足の課題に正面から取り組む準備ができています。そのために、豊富に存在するもう一つの自然資源である大気を巧みに活用すべきです。
しかし、製造コストを削減し、環境に優しくエネルギー使用を最小限またはゼロにすることで、持続可能性を高めるためのさらなる取り組みが必要です。
水不足に悩む多くの国は低所得経済であり、手頃な価格で大量に導入可能なソリューションが必要です。
