Atmosfärisk vatteninsamling – Hur utnyttjande av gravitation kan driva denna teknik framåt

Vatten är kanske den mest värdefulla resursen vår planet har att hantera. Trots att det täcker 70 % av vår planet är färskvatten, vattnet vi använder för att dricka, bada eller bevattna våra jordbruksmarker, en bristvara. Endast 3 % av världens vatten är färskvatten. Dessutom finns två tredjedelar av den 3 % i frusna glaciärer eller är otillgängligt för användning. 

Resultatet av vattenbrist är något som reflekteras världen över. Globalt sett saknar nästan 1,1 miljarder människor tillgång till vatten. Totalt lider 2,7 miljarder människor i världen av vattenbrist i minst en månad per år.

Vattenbrist leder också till många andra problem, såsom otillräcklig sanitet, ett problem för 2,4 miljarder människor som blir sårbara och utsatta för sjukdomar som kolera och tyfus, samt många andra dödliga diarrésjukdomar. 

Den växande befolkningen och den ständigt ökande efterfrågan på vatten har alltid varit i konflikt. Ju mer befolkad vår planet blir, desto mer belastade blir dess vattensystem. 

Stigande föroreningsnivåer har tagit hårt på planetens floder, sjöar och akviferer. Vad som verkar ännu mer oroande är att mer än hälften av världens våtmarker har försvunnit. 

Om den vetenskapliga gemenskapen misslyckas med att utvecklas i takt med tiden och erbjuda lösningar för att bekämpa hotet om försvinnande vatten, kommer våra jordbrukssystem snart sakna tillräckligt med vatten, vilket leder till livsmedelsosäkerhet och mycket mer. 

Lyckligtvis är den vetenskapliga gemenskapen redo att anta utmaningen världen över. Idag kommer vi att diskutera en sådan banbrytande lösning i nästa avsnitt och sedan gå djupare. 

Enhet som extraherar vatten från luften med inget annat än gravitation

Ett team av internationella forskare, lett av KAUST-professor Qiaoqiang Gan, har designat en enhet som potentiellt kan fungera utan elektricitet och extrahera vatten från luften med hjälp av inget annat än gravitation. Enheten, redan fri från behovet av en kostsam energiförsörjning, kan tillverkas av billiga och lättillgängliga material. 

Experimentpapperet, med titeln ‘Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting’, syftar till att göra atmosfärisk vatteninsamling mer effektiv.

Vatteninsamlingsprocessen förbättras avsevärt med strålningskyla. Strålningskyla fungerar genom att sänka kondensorernas temperaturer betydligt under omgivningstemperaturen och möjliggör atmosfärisk vatteninsamling utan extra energi. 

Ett problem som strålningskylningssystem möter är utmaningen med traditionella himmelvända kondensorer som har låg kylkraftstäthet, samt att vattendroppar förblir fastklämda på ytan, vilket kräver aktiv kondensatsamling. 

Forskningen har föreslagit en lösning på detta problem: en smord yta (LS)-beläggning—bestående av mycket skalbar polydimetylsiloxanelastomer smord med silikonolja som appliceras på kondensatorsidan i en vertikal dubbelsidig arkitektur.

Fördelarna med designen är flera. För det första fördubblar den effektivt den lokala kylkraften. 

För det andra eliminerar den kontaktlinjepinning, vilket möjliggör passiv, gravitationsdriven insamling av vatten. Resultatet är en ökad AWH‑kapacitet från ett 0 × 30 cm² prov i utomhusmiljöer, utan någon konstgjord flöde av fuktig luft. 

Den passiva vatteninsamlingshastigheten för den smorda ytan (LS)-beläggningen nådde 21 g m⁻² h⁻¹, dubbelt så mycket som på en superhydrofob yta, 10 g m⁻² h⁻¹. Prestandan var ännu bättre i en inomhusmiljö, där systemet kunde uppnå en kondensationshastighet på upp till 87 % av den teoretiska gränsen med upp till 90 % av den totala kondensaten passivt insamlad.

Fördelar med korrekt utförd atmosfärisk vatteninsamling

Atmosfären har sex gånger mer vatten än alla jordens floders färskvatten sammantaget. Enligt professor Gan:

“Detta vatten kan samlas in av tekniker för atmosfärisk vatteninsamling.”

Och när processen utförs effektivt med den ovan nämnda lösningen blir den ännu mer lönsam för sina användare. När han utvecklade fördelarna med systemet sade professor Dan Daniel, en av postdoktoranderna i professor Gans forskargrupp, följande, 

“Systemet förbrukar ingen elektricitet, vilket leder till energibesparingar. Dessutom är det inte beroende av några mekaniska delar som kompressorer eller fläktar, vilket minskar underhållet jämfört med traditionella system och ger ytterligare besparingar.”

Till Dan Daniels observationer lade en annan postdoktor i teamet, Shakeel Ahmad, till:

“Vår beläggning eliminerade effektivt pinning, vilket möjliggör sann passiv vatteninsamling driven av vatten.”

Sammanlagt förbättrar systemet kvaliteten på atmosfärisk vatteninsamling avsevärt, vilket gör AWH till en sann blå lösning i en värld med allt knappare vattenresurser. 

Klicka här för att lära dig hur solenergi kan göra mer än att bara tillhandahålla ren energi.

Framsteg inom system för atmosfärisk vatteninsamling

I oktober 2023 publicerades en artikel i den vetenskapliga tidskriften namned Energy genomförde en omfattande översyn av tekniker, prestanda, förnybara energilösningar och genomförbarhet relaterade till metoden AWH. Översynen lyfte fram atmosfärisk vatteninsamling som något som kan vara en enorm källa till färskvatten på 12,900 km3.

Det stod:

“System för atmosfärisk vatteninsamling har blivit populära under de senaste åren eftersom de erbjuder en hållbar vattenkälla i torra regioner.” 

I de kommande avsnitten kommer vi att titta på några av dessa framsteg, inklusive avfuktning, kondensation, förångningskomprimeringskylcykler (VCRCs), termoelektriska kylare (TECs), luftkonditioneringsenheter, bränsleceller och integrerade system.

Avfuktande kondensation

Vatteninsamlings‑tekniker för avfuktning hämtar energi från sol, vind eller el. Teknikerna kan vara kompressor-/kylmedelsbaserade eller desikantbaserade.

De första typerna fungerar via daggpunktkondensation och ger en kall yta där vattenånga kan kondensera, medan de andra mättar vattenånga med ett sorbent som sedan värms upp, och den övermättade vattenångan kondenserar på en yta när den möter svalare omgivningsluft. 

Förångningskomprimeringskylcykler (VCRCs)

Denna process avser en mekanism där ånga komprimeras, sedan kondenseras med vatten eller luft, och expanderas till lågt tryck och motsvarande låg temperatur genom en ventil eller en motor med kraftuttag.

Termoelektriska kylare

År 2023 publicerade International Information and Engineering Technology Association (IIETA) en studie om insamling av atmosfäriskt vatten med termoelektrisk kylteknik. 

Studien syftade till att undersöka potentialen i atmosfärisk luft som en alternativ källa till rent vatten för att lindra vattenbrist i Indonesien, ett land med en genomsnittlig atmosfärisk luftfuktighet på 75 % till 85 %.

Forskarna använde en termoelektrisk kylare (TEC 1-12706), kompletterad med en kylfläns och fläkt på den varma sidan för att förbättra värmeavledning. En kopparkylspole fungerade både som värmeabsorberare och kondensor för atmosfärisk luft som passerade genom den.

Kylkällan för spolen (diameter=7.9mm; length=1000mm) hämtades från ett vattenblock som var fäst vid kylens kalla sida. Inställningarna för experimentet omfattade alla möjliga miljöinställningar, inklusive laboratorium, bostadsområde och kustområde, med varierande luftflöde från kylflänsens fläkt.

Data samlades in över ett luftfuktighetsintervall på 72.27%-83.01% och resultaten visade ett direkt samband mellan luftmassaflödet från kylflänsens fläkt och mängden vatten som kan extraheras från luften.

Experimentet gav också intressanta insikter om hur miljötypen påverkar volymen av extraherad luft, då mer vatten kunde extraheras vid kusten än i laboratorier och bostadsområden. 

Mer specifikt var luftmassaflödet 0.092 kg/s i kustområdena, och vattnet som kunde extraheras var 7.75 ml/timme. I laboratoriemiljön sjönk prestandan till 5.5 ml/timme, och i bostadsområden var den 4.75 ml/timme. Forskarna förstod att de kunde öka vattenutvinningen genom att maximera kontaktytan mellan luftkylaren och spoleytan.

Luftkonditioneringsenheter 

I juni 2024 publicerades ett forskningspapper i tidskriften Case Studies in Chemical and Environmental Engineering som utvärderade sannolikheten för vattenproduktion från luftkonditioneringssystem som en okonventionell försörjningskälla.

Mer specifikt undersökte studien de fysiska och kemiska egenskaperna hos kondenserat vatten och undersökte förekomsten av tungmetaller i de insamlade kondensatvattenproverna som producerats av luftkonditioneringssystem.

Syftet med utvärderingen var att säkerställa att vattenkvaliteten uppfyllde de kriterier som fastställts av jordanska standarder för dricksvatten och FAO:s riktlinjer för bevattningsändamål.

Studien genomfördes i Jordanien, som rankas bland de mest ekonomiskt missgynnade länderna i världen när det gäller förnybara färskvattentillgångar, med en knapp per capita tillgänglighet på cirka 61 kubikmeter år 2021. 

Testresultaten indikerade att proverna i huvudsak uppfyllde de tillåtna gränserna som specificerats av både dricksvattenriktlinjerna (under 20 °C) och kriterierna för behandlat vatten som används för bevattning (under 25 °C). Temperaturintervallet för proverna var mellan 16 °C och 20 °C, med ett genomsnitt på 18 °C, medan pH‑värdena för kondensatvattenproverna varierade från 7.16 till 7.25, med ett genomsnitt på 7.20.

Bränsleceller

En annan forskning, publicerad i december 2020‑numret av Applied Energy, föreslog att återanvända den elektrokemiska vattnet från bränslecellen för den förångningskomprimeringscykelbaserade atmosfäriska vattengeneratorn (VCC-AWG). 

Lösningsmekanismen utnyttjade bränslecellens rökgas som kom in i VCC-AWG med högre relativ luftfuktighet än naturlig atmosfärisk luft när den passerade genom en omgivande värmeväxlare för att avlägsna den elektrokemiska spillvärmen.

Forskarna föreslog att den högre relativa luftfuktigheten kunde öka färskvattenutbytet per energienhet. Resultaten visade att vid en relativ luftfuktighet på 0.75, genererade en 2 Kilowatt bränslecell upp till 3 kg/hr färskt vatten, vilket var 50 % högre än utan bränslecellen. 

Med en specifik energiförbrukning på 200 Wh/kg kunde VCC-AWG integreras med små uppoffringar av bränslecellens effektutgång.

Integrerade system

Slutligen har flera forskare också föreslagit innovativa integrerade system som kombinerar desikanthjul och förångningskylare för att leverera både kyld luft och kondenserat vatten.

Viktigare är att dessa integrerade system har visat enastående vatteninsamlingskapacitet i torra miljöer. Till exempel, enligt data från ett experiment, kunde ett dehumidifier‑system på en kubikmeter förse en qatarisk familj med över 15 l färskvatten dagligen vid relativ luftfuktighet på 50–70 %. 

Medan vetenskapliga samhällen världen över konsekvent har utforskat möjligheterna med atmosfärisk vatteninsamling och drivit dess gränser, har företag kommit med lösningar som är lämpliga för massadoption. I de kommande avsnitten tittar vi kort på ett par sådana företag. 

#1. Atoco

Källa: Atoco

Atocos vatteninsamlings‑teknik kan fånga och generera rent vatten från atmosfären, även under torra förhållanden med relativ luftfuktighet under 20 %.

Precis som forskningen vi inledde våra diskussioner med, kan Atoco‑lösningen fungera i passivt läge utan användning av elektricitet, vilket möjliggör off‑grid‑drift med noll koldioxidavtryck.

Kvaliteten på vattnet som framkommer som resultat av Atocos användning av nya retikulära material är extremt rent och kräver ingen ytterligare filtrering. Det uppfyller fullt ut globala standarder, inklusive WHO‑ och EPA‑standarder för dricksvatten samt FAO:s vattenkvalitetskrav för jordbruk.

Grundat av Prof. Omar Yaghi – fadern till retikulär kemi – tror Atoco att de kan tackla både orsaken och effekten av klimatförändringar samt adressera global uppvärmning och vattenbrist genom att utveckla hållbara, motståndskraftiga och transformerande lösningar inom området atmosfärisk vatteninsamling.

#2. Watergen

Watergen, ett banbrytande israeliskt företag och en global ledare på marknaden för atmosfäriska dricksvattenenheter (AWG), erbjuder maskiner som skapar dricksvatten på det mest effektiva och ekonomiska sättet. Dess lösningar finns i mer än 65 länder världen över. 

Dess kommersiella Gen‑L‑lösning kan producera upp till 6 000 liter per dag, medan den lilla Genny‑lösningen erbjuder 30 liter per dag. Den har lösningar för varje typ av behov mellan dessa två terminaler. 

År 2022 meddelade Watergen ett strategiskt joint venture med SMV Jaipuria Group med en planerad investering på mer än USD 50 million i de kommande 2‑3 åren för att introducera vatten‑från‑luft‑teknikprodukter i Indien.

Avslutande ord

Sammanlagt är världen redo att ta itu med vattenbristutmaningar genom att skickligt utnyttja en annan naturlig resurs vi har i överflöd: atmosfärisk luft. 

Dock återstår mer arbete för att expandera gränserna genom att sänka produktionskostnaderna och göra processerna miljömässigt hållbara med ingen eller minimal energianvändning.

Många av de vattenbristdrabbade länderna är låginkomstekonomier. De behöver förses med lösningar som är prisvärda för massorna och kan implementeras på det mest smidiga sättet möjligt.

Klicka här för att lära dig hur solenergidriven avsaltning kan lösa vattenbrist.