Atmosfærisk vannhøsting – hvordan utnyttelse av gravitasjon kan fremme denne teknologien

Vann er kanskje den mest verdifulle ressursen planeten vår har å forholde seg til. Til tross for at den dekker 70 % av planeten vår, er ferskvann, vannet vi bruker til å drikke, ta et bad eller irrigere jordene våre, knapp. Kun 3 % av verdens vann er ferskvann. Dessuten befinner to‑tredjedeler av de 3 % seg i frosne isbreer eller er utilgjengelige for bruk. 

Konsekvensene av vannmangel er noe som reflekteres over hele verden. Globalt sett mangler nesten 1,1 milliarder mennesker tilgang til vann. Totalt lider 2,7 milliarder mennesker i verden av vannmangel i minst én måned i året.

Vannmangel fører også til mange andre problemer, som utilstrekkelig sanitær, et problem for 2,4 milliarder mennesker som blir sårbare og utsatt for sykdommer som kolera og tyfus, samt mange andre dødelige diaré‑sykdommer. 

Den voksende befolkningen og den stadig økende etterspørselen etter vann har alltid vært i konflikt. Jo mer befolket planeten blir, desto mer stresset blir vannsystemene. 

Økende forurensningsnivåer har tatt en toll på planetens elver, innsjøer og akviferer. Det som virker enda mer bekymringsfullt er at over halvparten av verdens våtmarker har forsvunnet. 

Hvis det vitenskapelige fellesskapet ikke klarer å utvikle seg med tiden og tilby løsninger for å bekjempe trusselen fra forsvinnende vann, vil våre landbrukssystemer snart ikke ha nok vann, noe som fører til matsikkerhetsproblemer og mye mer. 

Imidlertid er det heldigvis det vitenskapelige fellesskapet opp til utfordringen over hele verden. I dag vil vi diskutere en slik banebrytende løsning i det kommende segmentet og deretter gå dypere. 

Enhet trekker vann fra luften ved kun å bruke gravitasjon

Et team av internasjonale forskere, ledet av KAUST‑professor Qiaoqiang Gan, har designet en enhet som potensielt kan fungere uten elektrisitet og trekke vann fra luften ved hjelp av kun gravitasjon. Enheten, som allerede er fri fra behovet for en kostbar energikilde, kan lages med billige og lett tilgjengelige materialer. 

Eksperimentartikkelen, med tittelen ‘Lubricated Surface in a Vertical Double‑Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting’, har som mål å gjøre atmosfærisk vannhøsting mer effektiv.

Vannhøstingsprosessen forbedres betydelig ved strålingskjøling. Strålingskjøling fungerer ved å senke kondensatortemperaturene betydelig under omgivelsestemperaturen, og gjør atmosfærisk vannhøsting mulig uten ekstra energi. 

Et problem som strålingskjølingssystemer møter er utfordringen med tradisjonelle himmelvendte kondensatorer som har lav kjøleeffekt‑tetthet, og vann dråper som forblir festet på overflaten, noe som krever aktiv kondensatsamling. 

Forskningen har foreslått en løsning på dette problemet: en smurt overflate (LS)‑belegg—bestående av svært skalerbar polydimetylsiloksan‑elastomer smurt med silikonolje, påført på kondensatorsiden i en vertikal dobbeltsidig arkitektur.

Fordelene med designet er flere. For det første dobler det effektivt den lokale kjølekapasiteten. 

For det andre eliminerer det kontaktlinjepinning, noe som muliggjør passiv, gravitasjonsdrevet innsamling av vann. Resultatet er økt AWH‑kapasitet fra en 0 × 30 cm² prøve i utendørs miljøer, uten kunstig strøm av fuktig luft. 

Den passive vanninnsamlingsraten for den smurte overflaten (LS)‑belegget nådde 21 g m⁻² h⁻¹, dobbelt så mye som på en superhydrofobisk overflate, 10 g m⁻² h⁻¹. Ytelsen var enda bedre i et innendørs miljø, hvor systemet kunne oppnå en kondensasjonsrate på opptil 87 % av den teoretiske grensen med opptil 90 % av total kondensat passivt samlet.

Fordeler med atmosfærisk vannhøsting gjort riktig

Atmosfæren inneholder seks ganger mer vann enn all jordens ferskvann i elvene til sammen. Ifølge professor Gan:

“Dette vannet kan samles inn av teknologier for atmosfærisk vannhøsting.”

Mens han utdypet fordelene med systemet, sa professor Dan Daniel, en av postdoktorene i professor Gans forskningsgruppe, følgende, 

“Systemet bruker ingen elektrisitet, noe som gir energibesparelser. I tillegg er det ikke avhengig av mekaniske deler som kompressorer eller vifter, noe som reduserer vedlikeholdet sammenlignet med tradisjonelle systemer, og gir ytterligere besparelser.”

Til Dan Daniels observasjoner la en annen postdoktor i teamet, Shakeel Ahmad, til:

“Vårt belegg eliminerte effektivt pinning, og muliggjorde ekte passiv vanninnsamling drevet av vann.”

Alt i alt forbedrer systemet kvaliteten på atmosfærisk vannhøsting med et betydelig margin, og gjør AWH til en virkelig bærekraftig løsning i denne verden med stadig knappere vannressurser. 

Klikk her for å lære hvordan solenergi kan gjøre mer enn bare å levere ren energi.

Fremskritt innen atmosfærisk vannhøsting

I oktober 2023 publiserte et artikkel i det vitenskapelige tidsskriftet named Energy conducted a comprehensive review of techniques, performance, renewable energy solutions, and feasibility relating to the method of AWH. The review highlighted Atmospheric Water Harvesting as something that could be a vast source of freshwater at 12,900 km3.

It said:

“Atmosfæriske vannhøstingssystemer har fått økt popularitet de siste årene ettersom de tilbyr en bærekraftig vannkilde i tørre regioner.” 

I de kommende segmentene vil vi se på noen av disse fremskrittene, inkludert avfukting, kondensasjon, dampkompresjonskjølekretser (VCRCs), termoelektriske kjølere (TECs), klimaanlegg, brenselceller og integrerte systemer.

Avfukting og kondensasjon

Avfuktings‑teknologier for vannhøsting henter kraft fra sol, vind eller elektrisitet. Teknologiene kan være kompressor/kjølemedium‑baserte eller desikant‑baserte.

Den første typen fungerer via duggpunktkondensasjon og gir en kald overflate hvor vanndamp kan kondensere, mens den andre metoden metter vanndamp ved hjelp av et sorbent som deretter varmes opp, og den supersaturerte vanndampen kondensere på en overflate når den kommer i kontakt med kjøligere omgivende prosessluft. 

Dampkompresjonskjølekretser (VCRCs)

Denne prosessen refererer til en mekanisme hvor damp komprimeres, deretter kondenseres med vann eller luft, og ekspanderes til lavt trykk og tilsvarende lav temperatur gjennom en ventil eller en motor med kraftuttak.

Termoelektriske kjølere

I 2023 publiserte International Information and Engineering Technology Association (IIETA) en studie om innhøsting av atmosfærisk vann ved bruk av termoelektrisk kjøleteknologi. 

Studien hadde som mål å utforske potensialet i atmosfærisk luft som en alternativ kilde til rent vann for å dempe vannmangel i Indonesia, et land med en gjennomsnittlig atmosfærisk luftfuktighet på 75 % til 85 %.

Forskerne installerte en termoelektrisk kjøler (TEC 1-12706), supplert med en kjøleplate og vifte på den varme siden for å forbedre varmespredning. En kjølekobling laget av kobber fungerte både som varmeabsorber og kondensator for atmosfærisk luft som passerte gjennom den.

Kilde til kjøling for spolen (diameter=7,9 mm; lengde=1000 mm) ble hentet fra en vannblokk festet til kjølerens kalde side. Innstillingene for eksperimentet inkluderte alle mulige miljøforhold, inkludert laboratorium, boligområde og kystområde, med varierende luftstrømningshastighet fra kjøleplateviften.

Data ble samlet inn over et fuktighetsområde på 72,27 %‑83,01 % og resultatene viste en direkte korrelasjon mellom luftmasjestrømningshastigheten til kjøleplateviften og mengden vann som kan ekstraheres fra luften.

Eksperimentet ga også interessante innsikter i hvordan miljøtypen påvirker mengden vann som kan ekstraheres, da mer vann kunne hentes på kysten enn i laboratorier og boligområder. 

Mer spesifikt var luftmasjestrømningshastigheten 0,092 kg/s i kystområdene, og vannet som kunne ekstraheres var 7,75 ml/time. I laboratoriemiljøet falt ytelsen til 5,5 ml/time, og i boligområder var den 4,75 ml/time. Forskerne forsto at de kunne øke vannutvinningen ved å maksimere kontaktflaten mellom luftkjøleren og spoleoverflaten.

Klimaanlegg 

I juni 2024 publiserte et forskningspapir i tidsskriftet Case Studies in Chemical and Environmental Engineering en vurdering av sannsynligheten for vannproduksjon fra klimaanlegg som en ukonvensjonell vannkilde.

Mer spesifikt undersøkte studien de fysiske og kjemiske egenskapene til kondensert vann og undersøkte forekomsten av tungmetaller i de innsamlede kondensatprøvene produsert av klimaanlegg.

Formålet med evalueringen var å sikre at vannkvaliteten oppfylte kriteriene fastsatt av jordanske standarder for drikkevann og FAO-retningslinjer for irrigasjonsformål.

Studien ble utført i Jordan, som rangert blant de mest økonomisk vanskeligstilte landene i verden med hensyn til fornybare ferskvannsressurser, med en knapp per capita tilgjengelighet på rundt 61 kubikkmeter i 2021. 

Testresultatene indikerte at prøvene for det meste overholdt de tillatte grensene angitt av både drikkevannretningslinjene (under 20 °C) og kriteriene for behandlet vann brukt i irrigasjon (under 25 °C). Temperaturområdet for prøvene var mellom 16 °C og 20 °C, med et gjennomsnitt på 18 °C, mens pH‑verdiene for kondensatprøvene varierte fra 7,16 til 7,25, med et gjennomsnitt på 7,20.

Brenselceller

En annen studie, publisert i desember 2020‑utgaven av Applied Energy, foreslo å gjenbruke den elektrolytiske vannet fra brenselcellen for den dampkompresjonskretsbaserte atmosfæriske vanngeneratoren (VCC‑AWG). 

Løsningsmekanismen utnyttet brenselcellegassens avtrekk som kom inn i VCC‑AWG med høyere relativ fuktighet enn naturlig atmosfærisk luft, etter å ha passert gjennom en omgivelsesvarmeveksler for å fjerne den elektrolytiske avfallsvarmen. 

Forskerne foreslo at den høyere relative fuktigheten kunne øke ferskvannsutbyttet per energiinntak. Resultatene viste at ved en relativ fuktighet på 0,75, genererte en 2 kilowatt brenselcelle opptil 3 kg/time ferskvann, noe som var 50 % høyere enn uten brenselcellen. 

Med et spesifikt energiforbruk på 200 Wh/kg, kunne VCC‑AWG integreres med små innrømmelser i brenselcellens effektutgang.

Integrerte systemer

Til slutt har flere forskere også foreslått innovative integrerte systemer som kombinerer desikanthjul og fordamningskjølere for å levere både kjølt luft og kondensert vann.

Enda viktigere har disse integrerte systemene vist enestående vannhøstingskapasitet i tørre omgivelser. For eksempel, i henhold til data fra ett eksperiment, kunne et dehumidifier‑system på én kubikkmeter levere en qatarsk familie over 15 l ferskvann daglig ved relativ fuktighet på 50–70 %. 

Mens vitenskapelige fellesskap over hele verden konsekvent har utforsket mulighetene for atmosfærisk vannhøsting og presset grensene, har selskaper kommet med løsninger som er egnet for masseadopsjon. I de kommende segmentene ser vi kort på et par av slike selskaper. 

#1. Atoco

Kilde: Atoco

Atocos vannhøstings‑teknologi er i stand til å fange og generere rent vann fra atmosfæren, selv under tørre forhold med relativ fuktighet under 20 %.

Som forskningen vi startet diskusjonen med, kan Atoco‑løsningen operere i passiv modus uten bruk av elektrisitet, noe som muliggjør off‑grid drift med null karbonavtrykk.

Kvaliteten på vannet som produseres som resultat av Atocos bruk av nye retikulære materialer er ekstremt ren, og krever ingen ekstra filtrering. Det oppfyller fullt ut globale standarder, inkludert WHO‑ og EPA‑standarder for drikkevann og FAO‑vannkvalitet for landbruksformål.

Grunnlagt av professor Omar Yaghi – faren til retikulær kjemi – tror Atoco at de kan takle både årsaken og virkningen av klimaendringer og adressere global oppvarming og vannmangel ved å utvikle bærekraftige, robuste og transformative løsninger innen atmosfærisk vannhøsting.

#2. Watergen

Watergen, et banebrytende israelsk selskap og en global leder innen markedet for atmosfæriske drikkevannsenheter (AWG), tilbyr maskiner som skaper drikkevann på den mest effektive og økonomiske måten mulig. Løsningene deres er til stede i mer enn 65 land verden over. 

Den kommersielle Gen‑L‑løsningen kan produsere opptil 6 000 liter per dag, mens den lille Genny‑løsningen tilbyr 30 liter per dag. Den har løsninger for alle typer behov mellom disse to terminalene. 

I 2022 kunngjorde Watergen et strategisk joint venture med SMV Jaipuria Group med en planlagt investering på mer enn USD 50 millioner i de neste 2‑3 årene for å bringe vann‑fra‑luft‑teknologiprodukter til India.

Avsluttende ord

Alt i alt er verden klar til å takle vannmangelutfordringene direkte ved dyktig å utnytte en annen naturlig ressurs vi har i overflod: atmosfæriske luft. 

Imidlertid gjenstår mer arbeid for å utvide grensene ved å redusere produksjonskostnadene og gjøre prosessene miljømessig bærekraftige med ingen eller minimal energibruk. 

Mange av de vannmangelfylte landene er lavinntektsøkonomier. De trenger løsninger som er rimelige for massene og kan implementeres på den mest sømløse måten mulig. 

Klikk her for å lære hvordan solenergidrevet avsalting kan løse vannmangel.