Ultraljudstekniken Superladdar Atmosfärisk Vatteninsamling

Rent vatten från tunn luft: Grundläggande om atmosfärisk vatteninsamling

I många delar av världen är färskvatten en dyrvara. Ett alternativ för tillgång kan vara avsaltning, men hittills är detta en mycket energikrävande metod, även om vissa framsteg inom solenergi nyligen har gjort den närmare verkligheten.

Avsaltning av havsvatten är också inget alternativ för många torra inlandregioner, såsom till exempel Centralasien, Mongoliet, de chilenska bergen eller större delen av Saharaöknen.

Ett annat alternativ är att fånga vattnet som finns i luften. Många öknar har faktiskt ganska hög atmosfärisk fuktighet, men av klimatologiska skäl bildas varken regn eller moln.

Detta är löftet med atmosfärisk vatteninsamling. Vi har tidigare behandlat hur passiv kylning kombinerad med en kiselbeläggning kan öka effektiviteten för gravitationsbaserad vatteninsamling och hur nya adsorptionspolymerer också kan hjälpa.

Forskare tittar nu på ytterligare förbättringar av atmosfärisk fuktighetsinsamling, vilket för oss närmare den science fiction‑inspirerade vatteninsamlingen “windtrap” i Dune‑universumet.

Ett MIT‑team, i samarbete med det tyska företaget SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, har använt ultraljud för att öka effektiviteten i atmosfärisk vattenadsorption. De publicerade sina resultat i Nature Communications¹, med titeln “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction”.

Förklarad atmosfärisk vattenadsorption

En metod för att samla vatten från luften är att använda ett polymer som “adsorberar” vatten.

Adsorption är förmågan hos fasta ämnen, kallade “sorbenter”, att attrahera molekyler av gaser eller lösningar som de är i kontakt med på sina ytor – i detta fall vattenånga och vattendroppar som svävar i luften.

I vardagen känner vi till adsorberande material som silikagel i kommersiell förpackning. Detta är faktiskt en relativt effektiv process och kan samla mycket omgivande vatten.

Källa: Osaka Metropolitan University

Problemet är att få polymeren att släppa ut vattnet. Vanligtvis krävs en värme på omkring 100 °C för att desorbera dessa polymerer, vilket naturligtvis gör processen mycket energikrävande och kostsam.

“Alla material som är mycket bra på att fånga vatten vill inte släppa det. Så du måste lägga mycket energi och dyrbara timmar på att dra ut vatten ur materialet.”

Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Även lägre temperaturer med nyare polymerer har problemet att vattenutsläpp med värme är en långsam process, som tar tiotals minuter eller timmar. Som ett resultat måste de flesta vattenadsorptionssystem samla vatten på natten och släppa det under dagen med solens värme.

I kontrast kan användning av ultraljud minska tiden för vatteninsamling till bara några minuter och kan göras på begäran.

Ultraljudets potential

Ultraljud, eller ultraljudsvågor, är akustiska tryckvågor som färdas med frekvenser över 20 kilohertz (20 000 cykler per sekund). De används i allt större utsträckning för avancerade tillämpningar, såsom bioprintning och drift av fjärrstyrda medicinska enheter.

Det verkar som att ultraljud vibrerar med precis rätt frekvens för att orsaka separation av vattenmolekylerna och materialet som absorberade dem.

Källa: Nature Communications

Forskarna designade en platt keramisk ring av blyzirkoniumtitanat (PZT), som vibrerar när spänning appliceras.

“Det är som om vattnet dansar med vågorna, och denna riktade störning skapar momentum som frigör vattenmolekylerna, och vi kan se dem skaka loss i droppar.”

Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

För att adsorbera vattnet använde de flera typer av PAM‑LiCl AWH‑hydrogel som varierade i elasticitet, vilka alla innehöll litium‑ och kloridjoner för att fånga vatten från luften.

Källa: Nature Communications

När de testade enheten kunde den skaka loss tillräckligt med vatten för att torka varje prov på bara några minuter.

Inspektion av hydrogelerna med ett elektronstråle‑mikroskop visade också att ultraljudet inte skadade gelen, vilket gör enheten tillräckligt hållbar för praktisk användning.

Källa: Nature Communications

Massiv effektivitetshöjning

Eftersom den värmebaserade vattenutsläppet hittills bara skedde en gång var processens effektivitet mycket låg, även den mest avancerade enheten nådde bara 9,5 % effektivitet.

I kontrast kan MIT‑systemet producera vatten upprepade gånger under dagen, vilket ger en effektivitet på upp till 428 %, eller en 45‑faldig ökning i effektivitet.

“Det handlar om hur mycket vatten du kan extrahera per dag,” säger hon. “Med ultraljud kan vi återvinna vatten snabbt och cykla om och om igen. Det kan bli en hel del per dag.”

Så även om enheten slösade lite energi i värme (Joule‑effekten), är den fortfarande enormt mer effektiv än alla andra vatteninsamlingsmetoder som utvecklats hittills.

“Människor har letat efter sätt att samla vatten från atmosfären, vilket kan vara en stor vattenkälla, särskilt för ökenregioner och platser där det inte ens finns saltvatten att avsalta.

Nu har vi ett sätt att snabbt och effektivt återvinna vatten.

Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Verklig implementering i torra och avlägsna regioner

Till en början kommer den bästa möjliga tillämpningen av denna enhet vara för avlägsna ökenområden med begränsad tillgång till både energi och färskvatteninfrastruktur.

Till skillnad från värmebaserad adsorption kommer denna enhet dock att behöva elektrisk kraft för att generera ultraljud, så decentraliserad energiproduktion kommer att behövas, antingen med:

• Solpaneler som de i MIT:s experiment.
• Med vind, som kan fungera på natten när fuktigheten är ännu högre, vilket möjliggör fler 2‑minuters vatteninsamlingscykler per timme.
• Med förnybar energiproduktion + batterisystem för att driva 24/7.

När de testade den idealiska cykelfrekvensen fann forskarna att den ideala rytmen är att låta materialet absorbera vatten i 1 timme, sedan använda ultraljud för att släppa det på 2 minuter, och upprepa cykeln.

Viktigare är att den energi som krävs för att extrahera vatten med ultraljud förblev konstant, till skillnad från den gradvisa minskning som ses med värmebaserade metoder.

Källa: Nature Communications

Framtida förbättringar av atmosfärisk vatteninsamling

Nästa generations sorbentmaterial

Denna metod använde litiumhydrogel, men många andra sorbentmaterial finns: andra hydrogel, metallorganiska ramar, mikro‑ och nanofibrer, samt kombinationer av dessa material.

Var och en måste omvärderas och omdesignas för att förbättra dess kompatibilitet med den alternativa extraktionsmetoden.

Degraderingsmotståndet hos dessa andra sorbenter måste också utvärderas.

Förbättra ultraljudseffektiviteten

Med tanke på att NASA utförde tester på PZT‑aktuatorer, upp till 100 miljarder cykler under 580 dagar och inte fann någon märkbar skada eller betydande prestandaförlust, förväntas den ultraljudsgenererande delen av enheten vara mycket hållbar.

Dock är designen som användes i detta experiment relativt ineffektiv när det gäller att omvandla kraft till ultraljud, med endast 17–19 % effektivitet.

En 1‑3‑komposit piezoelektrisk transducer‑array‑enhet, istället för en enkel ringformad aktuator, skulle kunna nå upp till 35 % effektivitet.

Större PZT‑baserat ultraljud kan också vara mycket mer effektivt än den lilla experimentella enheten som testades här. Så totalt sett kan en effektivitet på 1 000 % eller mer vara möjlig när PZT‑materialet kalibreras och förbättras.

Mot vattenproducerande torn?

En annan viktig förbättring är att ultraljudsextraktion inte kräver att sorbentytan exponeras för solljus. Så enheterna kan staplas vertikalt ovanpå varandra utan någon principiell begränsning av antalet vertikala rader.

Istället för ett storskaligt fält för att absorbera solljus kan stora torn som leder vatten från varje staplad enhet byggas för mer centraliserade konstruktioner.

Företag som löser vattenbrist

Tillsammans med den europeiska Veolia är Xylem en global ledare inom vattenrening, avloppsbehandling och avsaltning. Företaget har över 23 000 anställda (varav över 6 000 är ingenjörer) och är verksamt i 150 länder, med fokus på USA, med över 35 000 direkta industriella kunder.

Dess huvudmarknad är kommunalt dricksvatten och avloppsvatten, men den erbjuder också vattenrelaterade dedikerade lösningar till andra sektorer som sjukvård, energi, livsmedel & drycker, olja & gas, mikroelektronik osv.

Källa: Xylem

Xylem kan leverera de kritiska patenterade utrustningsdelarna för att rena eller producera vatten, såsom ozongeneratorer, UV‑lampor, avsaltningsmembran, ultra‑ren vatten‑generatorer osv.

Men de erbjuder också ”enklare” utrustning som är lika kritisk för vattenrelaterade operationer, såsom turbiner, pumpar, rörledningar, injektion, mjukvara osv., samt underhålls-, reparations- och installationsservice, vilket gör dem till en helhetsleverantör för de flesta vattenapplikationer.

Källa: Xylem

Vattenmarknaden är fortfarande mycket fragmenterad, där Xylem är ett av de största företagen i sektorn, men har ändå bara en marknadsandel på 10 % av sin 80  miljarder dollar stora adresserbara marknad.

Företaget lägger omkring 4 % av sin försäljning på FoU. Det bör gynnas av nya regleringar kring PFAS (Per- och polyfluoroalkylsubstanser, eller evighetskemikalier), med över 6 000 anläggningar som behöver sådan PFAS‑behandling.

Xylem har vuxit stadigt, med nettoresultatet som ökade från 297  miljoner dollar 2012 till 609  miljoner dollar 2023 samtidigt som de behåller en stabil EBITDA‑marginal på 17–19 %.

Sammanfattningsvis gör detta företagets investeringsprofil mindre lik en industriell (ofta cyklisk) och mer lik en verkställande bolag som växer med den övergripande ekonomin eller något snabbare, likt de flesta av dess kunder.

Senaste Xylem (XYL) aktienyheter och utvecklingar

Studie refererad

^{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}