Enerji
Atmosferik Su Hasadı – Yerçekimini Kullanarak Bu Teknolojiyi Nasıl İlerletebiliriz
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Su, gezegenimizin belki de en değerli kaynağıdır. Gezegenimizin %70’ini kaplamasına rağmen, içme, banyo ve tarım sulaması için kullandığımız tatlı su kıttır. Dünya suyunun sadece %3’ü tatlı sudur. Ayrıca, bu %3’ün üçte ikisi donmuş buzullarda bulunur ya da kullanılamaz.
Su kıtlığının sonucu dünya çapında yansıtılmaktadır. Küresel olarak, yaklaşık 1,1 milyar insan suya erişememektedir. Dünya genelinde toplam 2,7 milyar insan yılda en az bir ay su kıtlığıyla mücadele etmektedir.
Su kıtlığı ayrıca, yetersiz sanitasyon gibi birçok başka soruna da yol açar; bu, 2,4 milyar insanın hastalıklara, özellikle kolera ve tifo gibi su kaynaklı hastalıklara karşı savunmasız ve maruz kalmasına neden olur ve birçok ölümcül ishal hastalığına yol açar.
Nüfusun artması ve su talebinin sürekli genişlemesi her zaman bir çatışma içinde olmuştur. Gezegenimiz ne kadar kalabalıklaşırsa, su sistemleri o kadar stres altına girer.
Artan kirlılık seviyeleri gezegenin nehirlerine, göllerine ve akiferlerine zarar vermiştir. Daha da üzücü olan, dünya sulak alanlarının yarıdan fazlasının kaybolmuş olmasıdır.
Bilim topluluğu zamanla evrimleşip suyun kaybolması tehdidine karşı çözümler sunamazsa, tarım sistemlerimiz yakında yeterli suya sahip olmayacak, bu da gıda güvensizliğine ve daha fazlasına yol açacaktır.
Ancak, neyse ki, bilim topluluğu dünya çapında bu zorluğun üstesinden gelmeye hazır. Bugün, sonraki bölümde bu tür bir çığır açan çözümü tartışacağız ve ardından daha derinlemesine inceleyeceğiz.
Cihaz, Sadece Yerçekimi Kullanarak Havadan Su Çıkarıyor
A team of uluslararası araştırmacılar, KAUST Profesörü Qiaoqiang Gan liderliğinde, sadece yerçekimi yardımıyla elektrik kullanmadan havadan su çıkarabilen bir cihaz tasarladı. Cihaz, pahalı bir enerji kaynağına ihtiyaç duymadan, ucuz ve kolay bulunabilir malzemelerle üretilebiliyor.
Deney makalesi, ‘Radyatif Soğutma ve Atmosferik Su Hasadı için Dikey Çift Yüzeyli Mimaride Kayganlaştırılmış Yüzey’ başlığıyla, atmosferik su hasadını daha verimli hale getirmeyi amaçlamaktadır.
Su hasadı süreci, radyatif soğutmada önemli ölçüde iyileşir. Radyatif soğutma, kondenser sıcaklıklarını ortam seviyelerinin çok altına düşürerek ve ek enerji gerektirmeden atmosferik su hasadını mümkün kılar.
Radyatif soğutma sistemlerinin karşılaştığı bir sorun, geleneksel gökyüzüne bakan kondensatörlerin düşük soğutma güç yoğunluğuna sahip olması ve su damlacıklarının yüzeyde tutunarak aktif kondensat toplama gerektirmesidir.
Araştırma, bu soruna bir çözüm önerdi: kayganlaştırılmış bir yüzey (LS) kaplaması—dikey çift taraflı mimaride kondenser tarafına uygulanan silikon yağıyla kayganlaştırılmış yüksek ölçeklenebilir polidimetilsiloksan elastomerinden oluşur.
Tasarımın faydaları birden fazla. İlk olarak, yerel soğutma gücünü etkili bir şekilde iki katına çıkarır.
İkinci olarak, temas hattı tutunmasını ortadan kaldırarak pasif, yerçekimiyle çalışan su toplama imkanı sağlar. Sonuç, dış ortamda, nemli hava akışı olmadan 0 × 30 cm² örnekten artırılmış AWH kapasitesidir.
Kayganlaştırılmış yüzey (LS) kaplamasının pasif su toplama hızı, 21 g m⁻² h⁻¹’ye ulaşarak, süperhidrofobik bir yüzeydeki 10 g m⁻² h⁻¹’in iki katı oldu. Performans, kapalı ortamda daha da iyiydi; sistem, teorik limitin %87’sine kadar bir yoğunlaşma oranı ve toplam kondensatın %90’ına kadar pasif toplama sağlayabildi.
Doğru Yapılan Atmosferik Su Hasadının Faydaları
Atmosfer, tüm dünya nehirlerinin tatlı suyunun altı katı su içerir. Prof. Gan’a göre:
“Bu su, atmosferik su hasadı teknolojileriyle toplanabilir.”
Ve süreç yukarıda belirtilen çözümle verimli bir şekilde gerçekleştirildiğinde, benimseyenler için daha karlı hale gelir. Sistemin faydalarını açıklarken, Prof. Gan’ın araştırma grubundaki doktora sonrası araştırmacılardan Dan Daniel şunları söyledi,
“Sistem hiçbir elektrik tüketmez, bu da enerji tasarrufu sağlar. Ayrıca, kompresör veya fan gibi mekanik parçalara dayanmadığından, geleneksel sistemlere göre bakım maliyetlerini azaltır ve daha fazla tasarruf sağlar.”
Dan Daniel’ın gözlemlerine, ekibin bir diğer doktora sonrası araştırmacısı Shakeel Ahmad şunu ekledi:
“Kaplamamız, tutunmayı etkili bir şekilde ortadan kaldırdı ve su tarafından yönlendirilen gerçek pasif su toplama sağladı.”
Genel olarak, sistem atmosferik su hasadı kalitesini önemli ölçüde artırır ve AWH’yi giderek daha kıtlaşan su kaynakları dünyasında gerçek bir çözüm haline getirir.
Atmosferik Su Hasadı Sistemlerindeki Gelişmeler
Ekim 2023’te, Energy adlı bilimsel dergide yayımlanan bir makale, AWH yöntemine ilişkin teknikler, performans, yenilenebilir enerji çözümleri ve uygulanabilirlik konularında kapsamlı bir inceleme yaptı. İnceleme, Atmosferik Su Hasadını, 12.900 km³’lik devasa bir tatlı su kaynağı olabilecek bir şey olarak vurguladı.
İnceleme, şunları belirtti:
“Atmosferik su hasadı sistemleri, kuru bölgelerde sürdürülebilir bir su kaynağı sundukları için son yıllarda popülerlik kazanmıştır.”
İlerleyen bölümlerde, nem alma, yoğunlaşma, buhar sıkıştırmalı soğutma döngüleri (VCRC’ler), termoelektrik soğutucular (TEC’ler), klima üniteleri, yakıt hücreleri ve entegre sistemler gibi bazı gelişmelere bakacağız.
Nem Alma ve Yoğunlaşma
Nem alma su hasadı teknolojileri, güneş, rüzgar veya elektrik kaynaklarından güç alır. Teknolojiler, kompresör/soğutucu bazlı ya da kurutucu bazlı olabilir.
İlk tipler, çiy noktası yoğunlaşması yoluyla çalışır ve su buharının yoğunlaşabileceği soğuk bir yüzey sağlar, ikinci tipler ise su buharını bir sorbent ile doygunlaştırır ve ardından ısıtarak, süper doygun su buharının daha soğuk ortam havasıyla etkileşime girdiğinde bir yüzeyde yoğunlaşmasını sağlar.
Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Döngüleri (VCRC’ler)
Bu süreç, buharın sıkıştırıldığı, ardından su veya hava ile yoğunlaştırıldığı ve bir vana ya da güç çıkışı olan bir motor aracılığıyla düşük basınç ve buna karşılık gelen düşük sıcaklığa genişletildiği bir mekanizmayı ifade eder.
Termoelektrik Soğutucular
2023 yılında, Uluslararası Bilgi ve Mühendislik Teknolojisi Derneği (IIETA), termoelektrik soğutma teknolojisi kullanarak atmosferik su hasadı üzerine bir çalışma yayımladı.
Çalışma, ortalama %75-%85 atmosferik nem oranına sahip Endonezya’da su kıtlığını hafifletmek için atmosferik havanın alternatif temiz su kaynağı potansiyelini araştırmayı amaçladı.
Araştırmacılar, sıcak tarafında ısı yayılımını artırmak için bir soğutucu ve fan eklenmiş termoelektrik soğutucu (TEC 1-12706) kullandılar. Bakırdan yapılmış bir soğutma bobini, hem ısı emicisi hem de üzerinden geçen atmosferik havanın kondensörü olarak görev yaptı.
Bobinin (çap=7,9 mm; uzunluk=1000 mm) soğutma kaynağı, soğutucunun soğuk tarafına takılan bir su bloğundan elde edildi. Deney ayarları, laboratuvar, konut bölgesi ve kıyı bölgesi dahil olmak üzere tüm olası çevresel koşulları kapsadı ve heatsink soğutma fanının hava akış hızı değiştirildi.
Veriler, %72,27-%83,01 nem aralığında toplandı ve sonuçlar, heatsink soğutma fanının hava kütle akış hızı ile havadan çıkarılabilir su miktarı arasında doğrudan bir ilişki olduğunu gösterdi.
Deney ayrıca, ortam tipinin çıkarılan su miktarı üzerindeki etkisine dair ilginç bulgular sundu; kıyı bölgelerinde laboratuvar ve konut alanlarına göre daha fazla su çıkarılabildi.
Daha spesifik olarak, kıyı bölgelerinde hava kütle akış hızı 0,092 kg/s idi ve çıkarılabilecek su 7,75 ml/saat oldu. Laboratuvar ortamında performans 5,5 ml/saat, konut bölgelerinde ise 4,75 ml/saat olarak düştü. Araştırmacılar, hava soğutucusu ile bobin yüzeyi arasındaki temas yüzeyini maksimize ederek su çıkarımını artırabileceklerini anladılar.
Klima Üniteleri
Haziran 2024’te, Case Studies in Chemical and Environmental Engineering dergisinde yayımlanan bir araştırma makalesi, klima sistemlerinden su üretiminin geleneksel olmayan bir tedarik kaynağı olma olasılığını değerlendirdi.
Daha spesifik olarak, çalışma yoğunlaşmış suyun fiziksel ve kimyasal özelliklerini inceledi ve klima sistemleri tarafından üretilen yoğunlaşmış su örneklerinde ağır metal varlığını araştırdı.
Değerlendirmenin amacı, su kalitesinin Ürdün içme suyu standartları ve FAO sulama yönergeleri tarafından belirlenen kriterlere uygunluğunu sağlamaktı.
Çalışma, yenilenebilir tatlı su kaynakları açısından dünyada en ekonomik açıdan dezavantajlı ülkeler arasında yer alan Ürdün’de gerçekleştirildi; kişi başına yaklaşık 61 metreküp su bulunuyordu (2021).
Test sonuçları, örneklerin büyük ölçüde içme suyu yönergeleri (20 °C altında) ve sulamada kullanılan işlenmiş su kriterleri (25 °C altında) tarafından belirlenen izin verilen limitlere uyduğunu gösterdi. Örneklerin sıcaklık aralığı 16 °C ile 20 °C arasında, ortalama 18 °C idi; pH değerleri ise 7,16 ile 7,25 arasında değişmekte, ortalama 7,20 idi.
Yakıt Hücreleri
Başka bir araştırma, Aralık 2020 sayılı Applied Energy dergisinde yayımlanarak, yakıt hücresinin elektrokimyasal suyunun buhar sıkıştırma döngüsü tabanlı atmosferik su jeneratörü (VCC-AWG) için yeniden kullanılmasını önerdi.
Çözüm mekanizması, yakıt hücresi egzoz gazını, elektrokimyasal atık ısıyı ortadan kaldırmak için bir ortam ısı değiştiricisinden geçirirken, doğal atmosferik havadan daha yüksek bağıl nemde VCC-AWG’ye yönlendirdi.
Bilim insanları, daha yüksek bağıl nemin enerji başına tatlı su verimini artırabileceğini önerdi. Sonuçlar, %75 bağıl nemde, 2 kilovatlık bir yakıt hücresi eklemenin saat başına 3 kg taze su ürettiğini ve bu miktarın yakıt hücresi olmadan elde edilenin %50 daha yüksek olduğunu gösterdi.
Spesifik enerji tüketimi 200 Wh/kg olduğunda, VCC-AWG, yakıt hücresi güç çıkışına küçük fedakarlıklarla entegre edilebilir.
Entegre Sistemler
Son olarak, çeşitli araştırmacılar, hem soğutulmuş hava hem de yoğunlaşmış su sağlayan kurutucu çarklar ve evaporatör soğutucularını birleştiren yenilikçi entegre sistemler önerdi.
Dahası, bu entegre sistemler kurak ortamlarda olağanüstü su hasadı yetenekleri gösterdi. Örneğin, bir deneyden elde edilen verilere göre, bir metreküp dehumidifier sistemi, %50–70 bağıl nem seviyelerinde Katar’daki bir aileye günlük 15 litreden fazla tatlı su sağlayabilir.
Bilim toplulukları dünya çapında atmosferik su hasadı olasılıklarını sürekli araştırıp sınırlarını zorlamaya devam ederken, şirketler de kitlesel benimseme için uygun çözümler geliştirdi. İlerleyen bölümlerde, bu şirketlerden birkaçına kısaca göz atacağız.
#1. Atoco
Kaynak: Atoco
Atoco’nun su hasadı teknolojisi, %20’nin altında bağıl nemli kuru koşullarda bile atmosferden saf su yakalayabilir ve üretebilir.
Tartışmalarımıza başlangıçta değindiğimiz araştırma gibi, Atoco çözümü de elektriksiz pasif modda çalışabilir, şebekeden bağımsız operasyonları sıfır karbon ayak iziyle mümkün kılar.
Atoco’nun yeni retiküler malzemeleri sayesinde elde edilen suyun kalitesi son derece saf olup ek filtrasyona ihtiyaç duymaz. İçme suyu için WHO ve EPA standartları, tarımsal amaçlar için FAO su kalitesi standartları dahil olmak üzere küresel standartlara tam uyumludur.
Prof. Omar Yaghi tarafından kurulan – retiküler kimyanın babası – Atoco, iklim değişikliğinin neden ve etkileriyle mücadele edebileceğine ve sürdürülebilir, dayanıklı ve dönüşümcü çözümler geliştirerek atmosferik su hasadı alanında küresel ısınma ve su kıtlığı sorunlarını çözebileceğine inanıyor.
#2. Watergen
Watergen, öncü bir İsrailli şirket ve atmosferik içme suyu cihazları (AWG) pazarında küresel lider, içme suyu üreten makineler sunar; bu makineler en etkili ve ekonomik şekilde çalışır. Çözümleri, dünya çapında 65’ten fazla ülkede mevcuttur.
Ticari Gen-L çözümü günde 6.000 litreye kadar üretebilirken, küçük Genny çözümü günde 30 litre sunar. Bu iki uç arasında her türlü ihtiyaca yönelik çözümleri vardır.
2022’de Watergen, SMV Jaipuria Group ile stratejik bir ortak girişim duyurdu; önümüzdeki 2-3 yılda Hindistan’a su-odadan teknoloji ürünlerini getirmek için 50 milyon ABD Doları: yatırım planlandı.
Son Sözler
Genel olarak, dünya, bol miktarda sahip olduğumuz bir diğer doğal kaynağı—atmosferik havayı—becerikli bir şekilde kullanarak su kıtlığı sorunlarıyla doğrudan mücadele etmeye hazır.
Ancak, üretim maliyetlerini düşürerek ve süreçleri enerji kullanımını hiç ya da minimum seviyeye indirerek çevresel olarak sürdürülebilir hâle getirerek sınırları genişletmek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç var.
Su kıtlığı çeken birçok ülke düşük gelirli ekonomilerdir. Bu ülkeler, kitlelere uygun fiyatlı ve en sorunsuz şekilde dağıtılabilir çözümlerle temin edilmelidir.
