Hållbarhet
Ultraljudsteknik överbelastar atmosfärisk vatteninsamling
TL;DR
MIT:s ultraljudsenhet kan extrahera vatten från fuktig luft upp till 45 gånger effektivare än värmebaserade system, vilket förkortar cyklerna från timmar till minuter. Om den skalförs med förnybara energikällor kan den möjliggöra praktiskt taget rena vatten-generationer utanför nätet i torra och avlägsna områden.
Rent vatten från tunn luft: Atmosfärisk vatteninsamling grunder
I många delar av världen är färskvatten en lyx. Ett alternativ för tillgång kan vara avsaltning, men hittills är detta en mycket energikrävande metod, även om vissa framsteg inom solteknik nyligen har gjort det närmare verklighet.
Havsavsaltning är inte heller ett alternativ för många inlandets torra regioner, såsom till exempel centrala Asien, Mongoliet, de chilenska bergen eller större delen av Saharaöknen.
Ett annat alternativ är att fånga upp vattnet som finns i luften. Många öknar har faktiskt ganska hög atmosfärisk fuktighet, men på grund av klimatiska skäl bildar de inte regn och moln.
Detta är löftet om atmosfärisk vatteninsamling. Vi har tidigare behandlat hur passiv kylning blandad med en kiselskikt kunde förbättra effektiviteten hos tyngdkraftsbaserad vatteninsamling och hur nya adsorptionspolymerer också kunde hjälpa.
Forskare ser nu på ytterligare förbättringar av atmosfärisk fuktighet, vilket bringar oss närmare den vetenskapliga fiktionen om vatteninsamling ” Windtrap” i Dune-universumet.
Ett MIT-team, i samarbete med det tyska företaget SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, har använt ultraljud för att förbättra effektiviteten hos atmosfärisk vattenadsorption. De publicerade sina resultat i Nature Communications1, under titeln “Hög-effektiv atmosfärisk vatteninsamling möjliggjord av ultraljudsextraktion“.
Atmosfärisk vattenadsorption förklarad
En metod för att samla in vatten från luften är att använda en polymer som “adsorberar” vatten.
Adsorption är förmågan hos fasta ämnen, kallade “sorbent”, att attrahera molekyler av gaser eller lösningar som de är i kontakt med deras ytor – i detta fall, gasformiga vattenångor och vattendroppar som är suspenderade i luften.
I vardagslivet känner vi till adsorberande material som silikagel i kommersiell förpackning. Detta är faktiskt en relativt effektiv process, och det kan samla in mycket omgivande vatten.
Problemet är att göra polymeren att släppa ifrån sig vattnet. Vanligtvis krävs en värme på cirka 100°C för att desorbera dessa polymerer, vilket naturligtvis gör det mycket energiineffektivt och dyrt.
“Varje material som är mycket bra på att fånga vatten vill inte släppa ifrån sig vattnet. Så du behöver lägga mycket energi och dyra timmar på att dra ut vatten ur materialet.”
Även lägre temperatur med nyare polymerer har problemet att vattenfrisättningen med värme är en långsam process, som tar tiotals minuter eller timmar. Som ett resultat behöver de flesta vattenadsorptionsystem fånga vattnet på natten och släppa ut det under dagen med värmen från solen.
I kontrast kan ultraljud förkorta vattensamlingstiden till bara några minuter och kan göras på begäran.
Ultraljudets potential
Ultraljud, eller ultraljudsvågor, är akustiska tryckvågor som reser i frekvenser över 20 kilohertz (20 000 cykler per sekund). De används alltmer för avancerade tillämpningar, som bioprinting och att strömförsörja avlägsna medicinska implantat.
Det verkar som att ultraljud vibrerar i exakt rätt frekvens för att orsaka separationen av vattenmolekyler och materialet som absorberade det.
Källa: Nature Communications
Forskarna konstruerade en platt keramring gjord av blyzirkonatitanat (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 ut i droppar.”
För att adsorbera vattnet använde de flera typer av PAM-LiCl AWH-hydrogeler som varierade i elasticitet, som alla inkorporerade litium- och kloridjoner för att fånga vattnet från luften.
Källa: Nature Communications
När de testades kunde enheten skaka ut tillräckligt med vatten för att torka ut varje prov på bara några minuter.
Inspektion av hydrogelerna med ett elektronmikroskop visade också att ultraljudet inte skadade gelen, vilket gör att enheten är tillräckligt hållbar för praktisk användning.
Källa: Nature Communications
Massiv effektivitetsförbättring
Eftersom värmeDriven vattenfrisättning bara skedde en gång var effektiviteten i processen mycket låg, med till och med den mest avancerade enheten på bara 9,5% effektivitet.
I kontrast kan MIT-systemet producera vatten upprepade gånger under dagen, vilket leder till en effektivitet på upp till 428%, eller en 45-faldig ökning av effektiviteten.
Det handlar allt 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 lägga till mycket per dag.”
Så medan enheten slösade en liten mängd energi i värme (Joule-effekt) är den fortfarande massivt mer effektiv än alla andra vatteninsamlingssmetoder som utvecklats hittills.
Swipe to scroll →
| Metod | Energikälla | Cykeltid | Effektivitet (%) |
|---|---|---|---|
| Traditionell värmebaserad AWH | Solkraft | Timmar per cykel | ~9,5% |
| MIT Ultraljudsextraktion | Elektricitet (sol/vind) | 2 minuter per cykel | ~428% |
“Människor har letat efter sätt att samla in vatten från atmosfären, som kunde vara en stor källa till vatten, särskilt för ökenområden och platser där det inte ens finns saltvatten att avsalta.
Nu har vi ett sätt att återvinna vatten snabbt och effektivt.”
Verklig distribution i torra och avlägsna områden
Till en början kommer den bästa möjliga tillämpningen av denna enhet att vara för avlägsna ökenområden med begränsad tillgång till både energi och färskvatteninfrastruktur.
Till skillnad från värmebaserad adsorption kommer dock denna enhet att behöva elektrisk kraft för att producera 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 vattensamlingscykler per timme.
- Med förnybar energiproduktion + batterisystem för att köra 24/7.
När de testade vad den idealiska cyklerna var, fann forskarna att den idealiska rytmen är att låta materialet absorbera vatten i 1 timme, sedan använda ultraljud för att släppa ut det på 2 minuter, och upprepa cykeln.
Viktigare är att den energi som krävs för att extrahera vattnet med ultraljud förblev konstant, istället för att se en långsam minskning som med värmebaserade metoder.
Källa: Nature Communications
Framtida förbättringar i atmosfärisk vatteninsamling
Nästa generations sorbensmaterial
Denna metod använde litiumhydrogeler, men många andra sorbensmaterial finns: andra hydrogeler, metallorganiska ramverk, mikro- och nanofibrermattor och kombinationer av dessa material.
Var och en måste omvärderas och omkonstrueras för att förbättra dess kompatibilitet med den alternativa extraktionsmetoden.
Degradationsmotståndet hos dessa andra sorbenter måste också utvärderas.
Förbättring av ultraljudseffektivitet
Med tanke på att NASA utförde tester på PZT-aktuatorer i upp till 100 miljarder cykler under 580 dagar och avslöjade ingen märkbar skada eller betydande prestandafall, förväntas den ultraljudsgenererande delen av enheten vara mycket hållbar.
Men designen som användes i detta experiment är relativt ineffektiv för att omvandla kraft till ultraljud, med endast 17 till 19% effektivitet.
En 1-3 komposit piezoelektrisk transducerarrayenhet kunde nå upp till 35% effektivitet istället.
Större PZT-baserad ultraljud kunde också vara mycket mer effektivt än den lilla experimentella enheten som testades här. Så totalt sett kunde 1 000% effektivitet eller mer vara inom räckhåll när man kalibrerar och förbättrar PZT-materialet som används.
Mot vattengenererande torn?
En annan viktig förbättring är att ultraljudsextraktion inte kräver att sorbensytan exponeras för solljus. Så enheterna kan staplas vertikalt ovanpå varandra utan någon principiell begränsning för antalet vertikala rader.
Istället för ett stort fält för att absorbera solljuset kunde stora torn som flödar vatten från varje staplad enhet byggas för mer centraliserade design.
Företag som löser vattenbrist
Xylem Inc.
(XYL )
Studie som refereras
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
