Gudri materiāli atvieglo tīra ūdens izņemšanu no gaisa

ūdens pilieni uz stikla rūts LUM3N | Atbrīvojieties no šļakatām

Pasaules iedzīvotāju nodrošināšana ar tīru dzeramo ūdeni ir viens no lielākajiem 21. gadsimta inženiertehniskajiem izaicinājumiem. Dažās valstīs vairāk nekā pusei iedzīvotāju nav pieejams tīrs ūdens, un pasaulē katram trešajam iedzīvotājam nav pieejama pamata sanitārija, kam ūdens ir ļoti svarīgs.

Tas ir nozīmīgs caurejas un sliktas veselības cēlonis kopumā. Pēc dažām aplēsēm vairāk nekā 5000 bērnu katru dienu mirst no slimības, kas saistītas ar caureju. Tāpēc svarīgs mērķis ir atrast veidus, kā ražot tīru ūdeni.

Problēma ir tā, ka lielākā daļa metožu ir pārmērīgi dārgas nabadzīgajām valstīm. Tradicionālās pieejas, piemēram, destilācija, reversā osmoze un notekūdeņu pārstrāde, ir enerģiju patērējošas un dārgas. Un pasīvām metodēm, kas balstās uz saules enerģiju, ir nepieciešami eksotiski materiāli un saules koncentratori, kas ir apjomīgi un dārgi.

Bet ir vēl viens paņēmiens, kas var mainīt šo nomācošo aprēķinu: rasas novākšana. Tas ietver gaisa dzesēšanu, lai tajā esošie ūdens tvaiki kondensētos, lai tos varētu savākt. Šai pasīvajai tehnoloģijai ir liels saldūdens ieguves potenciāls, jo atmosfērā tiek uzglabāts ievērojams ūdens tvaiku daudzums, saka Minghao Dong un kolēģi Dienvidaustrumu universitātē Nanjingā, Ķīnā.

Tas rada dažus acīmredzamus jautājumus. Cik daudz ūdens var novākt šādā veidā? Un kāds ir labākais veids, kā to savākt?

Šodien Minghao un kolēģi pirmo reizi aprēķina rasas savākšanas tehnoloģijas pamata robežas. Pēc tam viņi apraksta, kā vienkārša parasto metožu maiņa varētu ievērojami uzlabot lietderību un ražu.

Vispirms nedaudz fona. Pasīvie rasas savācēji sastāv no kondensatora, plānas, plakanas materiāla loksnes, kas izstaro siltumu nakts debesīs (rasas savācēji parasti darbojas tikai naktī). Kondensators ir izolēts no zemes, lai tas nevarētu absorbēt siltumu no apakšas.

Tā kā kondensators naktī izstaro enerģiju, tā temperatūra pazeminās, atdzesējot tieši blakus esošo gaisu. Ja gaisa temperatūra nokrītas zem rasas punkta (temperatūra, kurā gaiss ir piesātināts ar ūdens tvaikiem), tvaiki kondensējas.

Protams, šī procesa efektivitāte ir jutīga pret dažādiem faktoriem, īpaši gaisa apkārtējās vides temperatūru, tā relatīvo mitrumu un ātrumu, ar kādu kondensators var izstarot siltumu.

Gadu gaitā fiziķi ir aprēķinājuši, cik daudz ūdens šāda ierīce spēj saražot, ja kondensators ir perfekti izstarojošs melns korpuss. Taču Minghao un kolēģi saka, ka visās šajās analīzēs trūkst acīmredzama punkta: tajās nav pienācīgi ņemts vērā veids, kā īsti materiāli izstaro siltumu vai veids, kā Zemes atmosfēra pārraida dažus gaismas viļņu garumus efektīvāk nekā citus.

Rezultātā šīs tehnikas principiālās robežas nav pienācīgi noskaidrotas, apgrūtinot eksperimentu veiktspējas novērtēšanu un noteikt, vai šī tehnoloģija ir vai nav piemērojama dažādos apstākļos, jo īpaši salīdzinoši sausos apgabalos.

Tāpēc viņi pirmo reizi ir iekļāvuši šos faktorus. Tas viņiem ir ļāvis novērtēt dažādu materiālu darbību.

Viņu metode ir vienkārša. Minghao un kolēģi norāda, ka viļņu garumi, kuros Zemes atmosfēra ir viscaurspīdīgākā, ir labi zināmi. Viņi saka, ka ir lietderīgi izmantot kondensatoru, kas izstaro šajās frekvencēs, nevis tādu, kas izstaro visos viļņu garumos. Viņi sauc šādu kondensatoru par selektīvo emitētāju un salīdzina to ar melnā emitētāja veiktspēju

Rezultāti ir uzkrītoši. Pētnieki saka, ka kondensatora izstarojuma saskaņošana ar atmosfēras caurlaidības īpašībām ļauj ievērojami uzlabot. Piemēram, pie apkārtējās vides temperatūras 20 °C (68 °F) ar relatīvo mitrumu 40%, melnais izstarotājs nekādā gadījumā nevar savākt ūdeni. Turpretim selektīvais izstarotājs varētu [novākt rasu ar ātrumu] 13 grami uz kvadrātmetru stundā, viņi saka.

Tas ir nozīmīgs atklājums. Tā ir atšķirība starp iespēju naktī savākt rasu tādā vietā kā Mohaves tuksnesis un bez ūdens.

Pētnieki ir izstrādājuši kondensatoru ar nepieciešamajiem enerģiju izstarojošajiem parametriem. To dizains sastāv no plāniem trīs dažādu materiālu slāņiem uz alumīnija pamatnes. Šī slāņveida struktūra vislabāk izstaro tajos viļņu garumos, kuros atmosfēra ir viscaurspīdīgākā.

Tas ir interesants darbs ar plaša pielietojuma potenciālu. Minghao un kolēģi saka, ka rasas novākšana varētu būt noderīga gan mitrās, gan sausās vietās: pirmajā ietilpst salas un piekrastes pilsētas, kuras ieskauj jūras ūdens, kas nav dzerams, savukārt otrajās ietilpst tuksneši, kuros trūkst jebkāda veida dzeramā ūdens.

Svarīgas ir arī šāda veida pasīvā dizaina zemās izmaksas. Viņi saka, ka šī pasīvā saldūdens ieguves tehnoloģija papildinātu esošās tehnoloģijas, jo īpaši laukos un apgabalos ar zemiem ienākumiem, kur izmaksas rada lielas bažas.

Ja tas var nodrošināt tīru dzeramo ūdeni pat nelielai daļai no tiem, kuriem pašlaik nav, tas būs ievērojams ieguvums cilvēcei.

Vismaz viens starts, Nulles masas ūdens , jau mēģina komercializēt līdzīgu ierīci, kas var smelt ūdeni no gaisa, kamēr citi zinātnieki turpina uzlabot savas iespējas, tostarp Kalifornijas Universitātes Bērklijas un MIT pētniekiem (skatiet sadaļu Kā izvilkt ūdeni no zila gaisa , pat zemeslodes sausākajās vietās).

Atsauce: arxiv.org/abs/1909.05757 : Rasas novākšanas tehnoloģijas pamata ierobežojumi

paslēpties