Duurzaamheid
Ultrasound Tech Supercharges Atmospheric Water Harvesting
TL;DR
MIT’s ultrasound device kan water uit vochtige lucht extraheren tot 45× efficiënter dan hitte-gebaseerde systemen, waardoor cycli van uren naar minuten worden teruggebracht. Als het wordt geschaald met hernieuwbare energie, kan het praktische schoon water generatie buiten het net mogelijk maken in droge en afgelegen gebieden.
Schoon water uit dunne lucht: basisprincipes van atmosferische waterwinning
In veel regio’s van de wereld is schoon water een luxe. Een optie voor toegang kan ontzilting zijn, maar tot nu toe is dit een zeer energie-intensieve benadering, zelfs als enkele vooruitgang in zonnetechnologie het onlangs dichter bij de realiteit heeft gebracht.
Ontzilting van zeewater is geen optie voor veel binnenlandse droge gebieden, zoals bijvoorbeeld Centraal-Azië, Mongolië, de Chileense bergen of het grootste deel van de Sahara-woestijn.
Een andere optie is om het water dat in de lucht aanwezig is, te verzamelen. Veel woestijnen hebben eigenlijk een vrij hoge atmosferische vochtigheid, maar vanwege klimatologische redenen vormen ze geen regen en wolken.
Dit is de belofte van atmosferische waterwinning. We hebben eerder behandeld hoe passieve koeling gemengd met een siliciumcoating de efficiëntie van zwaartekracht-gebaseerde waterwinning kan verhogen en hoe nieuwe adsorptiepolymers ook kunnen helpen.
Onderzoekers kijken nu naar verdere verbeteringen van atmosferische vochtigheidswinning, waardoor we dichter bij de sciencefictionwaterwinning “windtrap” van het Dune-universum komen.
Een team van het MIT, in samenwerking met het Duitse bedrijf SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, heeft ultrasone geluidsgolven gebruikt om de efficiëntie van atmosferische wateradsorptie te verhogen. Ze publiceerden hun resultaten in Nature Communications1, onder de titel “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction”.
Atmosferische wateradsorptie uitgelegd
Een methode voor het winnen van water uit de lucht is het gebruik van een polymeer dat “adsorbeert”.
Adsorptie is de capaciteit van vaste stoffen, genaamd “sorbent”, om moleculen van gassen of oplossingen aan te trekken waarmee ze in contact komen met hun oppervlakken – in dit geval gaseuze waterdamp en druppels water die in de lucht zijn gesuspendeerd.
In het dagelijks leven kennen we adsorberende materialen zoals silicagel in commerciële verpakkingen. Dit is eigenlijk een relatief efficiënt proces en het kan veel omgevingswater verzamelen.
Source: Osaka Metropolitan University
Het probleem is dat het polymeer dat water loslaat. Meestal is een temperatuur van ongeveer 100°C nodig om deze polymeren te desorberen, wat natuurlijk erg energie-inefficiënt en duur is.
“Elk materiaal dat erg goed is in het vasthouden van water, wil niet afstand doen van dat water. Dus je moet veel energie en waardevolle uren steken in het trekken van water uit het materiaal.”
Eveneens heeft een lagere temperatuur met nieuwe polymeren het probleem dat de waterloslating met warmte een langzaam proces is, dat tientallen minuten of uren duurt. Als gevolg daarvan moeten de meeste wateradsorptiesystemen ‘s nachts water verzamelen en het overdag loslaten met de warmte van de zon.
In tegenstelling tot ultrasone geluidsgolven kan de waterwinningsduur worden teruggebracht tot slechts enkele minuten en kan het op aanvraag worden gedaan.
Het potentieel van ultrasone geluidsgolven
Ultrasone geluidsgolven, of ultrasonische golven, zijn akoestische drukgolven die reizen met frequenties van meer dan 20 kilohertz (20.000 cycli per seconde). Ze worden steeds vaker gebruikt voor geavanceerde toepassingen, zoals bioprinting en het aandrijven van afgelegen medische apparaten.
Het lijkt erop dat ultrasone geluidsgolven op precies de juiste frequentie trillen om de scheiding van watermoleculen en het materiaal dat het heeft geabsorbeerd, te veroorzaken.
Source: Nature Communications
De onderzoekers ontwierpen een platte keramische ring gemaakt van loodzirkonaat-titaan (PZT), die trilt wanneer er een spanning wordt toegepast.
“Het is alsof het water danst met de golven, en deze gerichte verstoring creëert een impuls die de watermoleculen loslaat, en we kunnen ze zien schudden in druppels.”
Om water te adsorberen, gebruikten ze verschillende soorten PAM-LiCl AWH-hydrogels die varieerden in elasticiteit, die allemaal lithium- en chloride-ionen bevatten om water uit de lucht te vangen.
Source: Nature Communications
Toen het apparaat werd getest, kon het genoeg water schudden om elk monster in slechts enkele minuten uit te drogen.
Inspectie van de hydrogels met een elektronenmicroscoop toonde ook aan dat de ultrasone geluidsgolven de gel niet beschadigden, waardoor dit apparaat duurzaam genoeg is voor praktisch gebruik.
Source: Nature Communications
Grote verbetering van de efficiëntie
Omdat de warmte-geactiveerde waterloslating tot nu toe alleen één keer gebeurde, was de efficiëntie van het proces zeer laag, met zelfs het meest geavanceerde apparaat met slechts 9,5% efficiëntie.
In tegenstelling tot het MIT-systeem kan water herhaaldelijk tijdens de dag worden geproduceerd, waardoor efficiëntie tot 428% kan worden bereikt, of een 45-voudige toename van de efficiëntie.
“Het gaat allemaal om hoeveel water je per dag kunt extraheren”, zegt ze. “Met ultrasone geluidsgolven kunnen we water snel terugwinnen en cyclus na cyclus herhalen. Dat kan een hoop per dag opleveren.”
Dus terwijl het apparaat een beetje energie verspilde aan warmte (Joule-effect), is het nog steeds veel efficiënter dan alle andere waterwinningsmethoden die tot nu toe zijn ontwikkeld.
Swipe to scroll →
| Methode | Energiebron | Cyclussnelheid | Efficiëntie (%) |
|---|---|---|---|
| Traditionele hitte-gebaseerde AWH | Zonnewarmte | Uren per cyclus | ~9,5% |
| MIT-ultrasonische extractie | Elektrisch (zonne-energie/windenergie) | 2 minuten per cyclus | ~428% |
“Mensen hebben gezocht naar manieren om water uit de atmosfeer te winnen, wat een grote bron van water kan zijn, vooral voor woestijngebieden en plaatsen waar geen zoutwater is om te ontzilten.
Nu hebben we een manier om water snel en efficiënt terug te winnen.”
Daadwerkelijke inzet in droge en afgelegen gebieden
Aanvankelijk zal de beste mogelijke toepassing van dit apparaat zijn voor afgelegen woestijngebieden met beperkte toegang tot zowel energie als schoon water infrastructuur.
In tegenstelling tot hitte-gebaseerde adsorptie heeft dit apparaat echter elektrische stroom nodig om de ultrasone geluidsgolven te produceren, dus decentrale energielevering zal nodig zijn, hetzij met:
- Zonnepanelen zoals die in de MIT-experimenten.
- Met wind, die ‘s nachts zou kunnen werken, wanneer de vochtigheid hoger is, waardoor meer van de 2-minuten waterwinningscycli per uur mogelijk zijn.
- Met hernieuwbare energieopwekking + batterij-systemen om 24/7 te draaien.
Toen de onderzoekers testten wat de ideale cyclussnelheid is, ontdekten ze dat de ideale ritme is om het materiaal 1 uur water te laten absorberen, dan ultrasone geluidsgolven te gebruiken om het los te laten in 2 minuten, en de cyclus te herhalen.
Belangrijker nog, de energie die nodig is om het water met ultrasone geluidsgolven te extraheren, bleef constant, in plaats van een langzame daling zoals bij hitte-gebaseerde methoden.
Source: Nature Communications
Toekomstige verbeteringen in atmosferische waterwinningsmethoden
Volgende generatie sorptiematerialen
Deze methode gebruikte lithiumhydrogels, maar er zijn veel andere sorptiematerialen: andere hydrogels, metaal-organische kaders, micro- en nanovvezelmaten en combinaties van deze materialen.
Elk zal opnieuw moeten worden geëvalueerd en opnieuw worden ontworpen om de compatibiliteit met de alternatieve extractiemethode te verbeteren.
De resistentie tegen degradatie van deze andere sorptiematerialen zal ook moeten worden geëvalueerd.
Verbetering van de efficiëntie van ultrasone geluidsgolven
Aangezien NASA tests heeft uitgevoerd op PZT-actuatoren, voor maximaal 100 miljard cycli over 580 dagen en geen merkbare schade of aanzienlijke prestatieafname vertoonde, wordt verwacht dat het ultrasone geluidsgolfdeel van het apparaat zeer duurzaam is.
Het ontwerp dat in dit experiment werd gebruikt, is echter relatief inefficiënt in het omzetten van vermogen in ultrasone geluidsgolven, met slechts 17 tot 19% efficiëntie.
Een 1-3 composiet piëzo-elektrische transducerarrayapparaat, in plaats van een enkele ringvormige actuator, kan tot 35% efficiëntie bereiken.
Grotere PZT-gebaseerde ultrasone geluidsgolven kunnen ook veel efficiënter zijn dan het kleine experimentele apparaat dat hier werd getest. Dus overall kan een efficiëntie van 1.000% of meer bereikt worden wanneer de PZT-materiaal die hier wordt gebruikt, wordt gekalibreerd en verbeterd.
Naar watergenererende torens?
Een andere belangrijke verbetering is dat ultrasonische extractie geen blootstelling van het sorptieoppervlak aan zonlicht vereist. Dus de apparaten kunnen verticaal op elkaar worden gestapeld zonder enkele beperking in principe tot het aantal verticale rijen.
In plaats van een groot veld om zonlicht te absorberen, kunnen grote torens worden gebouwd die water van elk gestapeld apparaat afvoeren voor meer centrale ontwerpen.
Bedrijven die watergebrek oplossen
Xylem Inc.
(XYL )
Laatste Xylem (XYL) aandelen nieuws en ontwikkelingen
Verwezen naar onderzoek
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
