Ūdens tur, kur nepieciešams

Cody Friesen, PhD '04, izgudroja paneļus, kas savāc ūdeni no gaisa — pat sausajā Arizonā. Un tas notika pēc tam, kad viņš bija izdomājis, kā izgatavot uzlādējamas lielas enerģijas baterijas, kas ir lētas un videi draudzīgas. Art Holeman

2018. gadā Kodijs Frīzens, PhD '04, pārgāja pa krūmiem Kenijas Riftas ielejā, lai saprastu, ar kādām briesmām sastopas Samburu meiteņu fonda meitenes, izejot smelt ūdeni.

Katru dienu meitenēm, kas dzīvo glābšanas organizācijā, bija jāiet divas jūdzes — bieži vien garām vīriešiem, kuri viņus uzskatīja par īpašumu — līdz tuvākajam ūdenim zemē, kur pēdējo desmit gadu laikā bija raksturīgs pūšļojošs sausums.

Tur, holēras pārņemtās upes dubļainajos krastos, Frīzens ieraudzīja hiēnu un vīriešu pēdas, atgādinājumus par to, kas varētu sagaidīt ikvienu meiteni, kura uzkavēsies.

Aina bija arī atgādinājums, ka aptuveni 2,2 miljardiem cilvēku visā pasaulē trūkst nekaitīga dzeramā ūdens, tostarp šīm neaizsargātajām Kenijas meitenēm 200 jūdzes uz ziemeļiem no Nairobi.

Frīzens novērsa šo ikdienas pārgājienu uz upi, fonda teritorijā uzstādot virkni 40 ierīču, kas atgādina saules paneļus. Viņš izstrādāja ierīci, ko viņš sauc par avota hidropaneli, lai izvilktu ūdeni no gaisa, ko darbina tikai saules enerģija. Tas atrisināja ūdens drošības krīzi Kenijas meiteņu patversmē, un Frīzens saka, ka viņa ierīce var darīt to pašu cilvēkiem visā pasaulē, kuriem nav piekļuves tīram dzeramajam ūdenim.

Bahia Hondita iedzīvotāji La Guajira pussalā Kolumbijā tagad iegūst ūdeni no Source hidropaneļu klāsta, nevis paļaujas uz iesāļu ūdeni no vietējā urbuma.

NULLES MASAS ŪDENS

Frīzens vispirms sāka interesēties par ūdens augšanu tolaik relatīvi lauku priekšpilsētās uz dienvidaustrumiem no Fīniksas. Kā bērns, dodoties pārgājienā tuksnesī, mēs vienmēr devāmies pārgājienā uz ūdenstilpni, piemēram, līci vai avotu, viņš saka. Jau no agras bērnības apzināties ūdens nozīmi un nozīmi bija tikai daļa no manas dzīves. Viņš arī vienmēr ir bijis ziņkārīgs par to, kā lietas darbojas, kā bērns, kurš Ziemassvētku rītā saplēsa jauno rotaļu automašīnu un lika to salikt no jauna līdz pusdienas laikam. Tā kā pusaudzis pārgājienos meklēja kokvilnas mežus un dabiskos avotus, viņš ne tikai pārdomāja ūdens vērtību, bet arī domāja par infrastruktūru, kas to nogādāja no Kolorādo upes līdz Fīniksas metro. Viņš uzskatīja, ka pastāv labāka alternatīva esošajam risinājumam: aizsprostot vienu no Ziemeļamerikas varenākajām upēm un sūknēt tās ūdeni simtiem jūdžu attālumā.

Kad viņš sāka studēt Arizonas štata universitātē kā bakalaura grādu, viņš pievērsās materiālu zinātnei, ko viņš sauc par fizikas, ķīmijas un mašīnbūves trifektu. Viņa doktora pētījums MIT koncentrējās uz plānu metālisku plēvju īpašībām un ar kurināmā elementiem saistītās katalīzes kvantu mehāniku. Pēc doktora grāda iegūšanas 2004. gadā viņš atgriezās ASU, pievienojoties Ira A. Fulton Schools of Engineering materiālzinātņu fakultātei.

Savā jaunajā laboratorijā ASU viņš pievērsa uzmanību labāka akumulatora izveidei. Trīs gadu laikā Friesen bija izveidojis uzlādējamu cinka-gaisa akumulatoru un nodibināja jaunuzņēmumu Fluidic Energy, lai to komercializētu. Viņš tam sekoja ar savu ūdens no gaisa hidropaneli un 2014. gadā uzsāka savu otro uzņēmumu Zero Mass Water, lai to pilnveidotu, ražotu un izplatītu.

Frīzens apraksta līdzīgu izcelsmi un atklājumu ceļus katram. Abos gadījumos viņš sāka, mēģinot saprast un pēc tam pārveidot liela mēroga problēmas. Pēc tam viņš meklēja veidus, kā tos risināt, izmantojot materiālus, kas bija vislabāk piemēroti konkrētajām ķīmiskajām un fizikālajām problēmām. Viņš saka, ka tā ir pieeja, kas tika ieviesta MIT, kur cilvēki koncentrējas uz smagiem izaicinājumiem un pastāvīgi domā par to, kā uzlauzt jaunus risinājumus, viņš saka.

Cinka-gaisa akumulators radās, kad Frīzens paskatījās uz periodisko tabulu un jautāja, kāds būtu lētākais iespējamais akumulators. Tas lika viņam domāt par skābekli gaisā kā katodu un cinka metālu kā anodu. Cinka-gaisa baterijas pastāvēja apmēram 100 gadus, taču neviens nezināja, kā tās uzlādēt. Tie izlādē cinkā uzkrāto enerģiju, pakļaujot to gaisa skābekļa iedarbībai, radot cinka oksīdu un atbrīvojot elektronus. Taču akumulatora uzlāde izraisa smailu cinka kristālu vai dendrītu uzkrāšanos uz anoda virsmas, padarot to neiespējamu vairāk nekā dažas reizes. Lai apietu dendrīta problēmu, Frīzens izveidoja slāņveida niķeļa sastatnes ar dažādu izmēru caurumiem; slāņiem ir raksturīgas dažādas elektriskās īpašības. Cinks ir pārklāts ar sastatnēm, kas pēc tam darbojas kā porains anods, un kālija hidroksīda un jonu šķidruma bāzes piedevu maisījums kalpo kā elektrolīts. Kad elektrolīts lādēšanas un izlādes laikā iet caur anodu, šis maisījums darbojas ar porām un slāņveida struktūru, lai novērstu dendrītu veidošanos un uzkrāšanos. Rezultātā akumulatorus var atkārtoti uzlādēt, un tie ir paredzēti, lai kalpotu vairāk nekā 10 gadus.

Ierīce atzīmēja visas izvēles rūtiņas. Tā tika uzbūvēta no lētām, netoksiskām un bagātīgi pieejamām izejvielām. Un tas varētu uzglabāt vairāk enerģijas nekā litija jonu akumulators par daudz zemākām izmaksām — iespējams, tikai 10 USD par kilovatstundu mērogā.

Friesen akumulatori ilgstošu strāvas padeves pārtraukumu laikā var uzturēt enerģiju 12 stundas vai ilgāk. Vietās, kur nav piekļuves tīklam, tos varētu uzlādēt ar saules paneļiem un izmantot enerģijas nodrošināšanai. Izgudrojums pamudināja MIT Technology Review iekļaut viņu 2009. gada TR35 sarakstā, atzīstot izcilus novatorus, kas jaunāki par 35 gadiem.

2018. gadā Fluidic Energy iegādājās ķirurgs un medicīnas uzņēmējs Patrick Soon-Shiong un kļuva par NantEnergy. Uzņēmums saka, ka tas ir piegādājis elektroenerģiju 200 000 cilvēku Āfrikas laukos un atsaucas uz demonstrācijas projektu Madagaskarā, kur trīs ceturtdaļām iedzīvotāju nav elektrības. Lai gan pagājušajā rudenī uzņēmums NantEnergy atlaida pusi no sava darbaspēka, pagājušajā gadā ziņoja, ka deviņās valstīs ir instalējis 3000 sistēmu, un apgalvo, ka kopumā tā ir nodrošinājusi rezerves enerģiju vairāk nekā miljons stundu ilgstošu elektroenerģijas padeves pārtraukumu laikā.

Kamēr cinka-gaisa akumulators pārvietojās no laboratorijas uz tirgu, Frīzens jau strādāja pie sava nākamā lielā izaicinājuma. Kopš 2010. gada viņš bija vēlējies izstrādāt ierīci, kas varētu ražot tīru ūdeni, kur tas ir nepieciešams, un tam izmantot tikai brīvi pieejamus resursus un atjaunojamo enerģiju.

Viņš saprata, ka gaisā ir daudz mitruma. Izaicinājums bija, kā to efektīvi iegūt un piegādāt. Līdz 2014. gadam Frīzens savā ASU laboratorijā Tempē precizēja strādājošu prototipu.

Mūsdienās Source hidropanelis izskatās kā biezs saules panelis, kura izmēri ir astoņas pēdas x četras pēdas x piecas collas virs pamatnes ar rezervuāru; viss teica, ka tas ir apmēram trīs pēdas garš un sver apmēram 300 mārciņas. Ierīce izmanto ar saules enerģiju darbināmus ventilatorus, lai ievilktu gaisu iekšā, kur ūdens tvaiki tiek adsorbēti uz patentēta higroskopiska materiāla — desikantu, ko Frīzens izstrādāja nanomērogā, lai maksimāli palielinātu tās spēju piesaistīt ūdeni, neapdraudot tās spēju atbrīvot ūdeni, kas sakrājas uz tā. virsmas. Siltums, ko uztver ierīces saules siltuma panelis, palielina ūdens tvaika spiedienu, liekot higroskopiskajam materiālam to atbrīvot. Tas paaugstina īpatnējo ūdens tvaiku mitrumu ierīces iekšpusē, paaugstinot rasas punktu virs apkārtējās vides temperatūras, tāpēc nav nepieciešams atdzesēt tvaikus, lai tie kondensētos — pat sausā vidē. Frīzens šo procesu sauc par pasīvo kondensāciju. No turienes ūdens uzkrājas 30 litru tvertnē ierīces pamatnē. Higroskopiskajos materiālos vairākas reizes dienā tiek ievilkts un atbrīvots no jauna ūdens.

Higroskopiskais materiāls efektīvi piesaista tikai ūdens molekulas, tāpēc kombinētie adsorbcijas un pasīvās kondensācijas procesi vienmēr nodrošina augstas tīrības pakāpi. Teorētiski pat ūdens, kas iegūts no piesārņota gaisa, ir tīrs, saka Frīzens, kurš piebilst, ka visi uzņēmuma līdz šim veiktie mērījumi to apstiprina. Ūdens tvertnē tiek regulāri apstrādāts ar ozonu, lai novērstu mikrobu augšanu, un, pirms tas sasniedz dozatoru, tas iziet cauri kalcija un magnija kārtridžām, lai uzlabotu tā garšu.

Ar saules enerģiju darbināmi sensori palīdz optimizēt hidropaneļa veiktspēju, mērot apkārtējā gaisa temperatūru, saules intensitāti un relatīvo mitrumu, ievadot šos datus algoritmā, kas dinamiski kontrolē ātrumu, ar kādu ventilatori ievelk gaisu ierīcē. Ar saules enerģiju darbināmi bezvadu raidītāji arī nosūta tiešos datus uz mākoņa datu bāzi, ļaujot Zero Mass Water pārraudzīt visus uzstādītos paneļus. Uzņēmuma tīkla operāciju centrs parasti var atrisināt funkcionālās problēmas ar ētera komandām un programmēšanu; ja tiek atklāta apkopes problēma, centrs var piesaistīt vietējos partnerus, lai to atrisinātu.

Frīzens saka, ka pētījuma gala rezultātam nevajadzētu būt publikācijai. Akadēmiskā vide ir jaunu zināšanu radīšana un šo zināšanu pārvēršana praktiskā pielietojumā.

Katrs hidropanelis var radīt līdz pieciem litriem dzeramā ūdens dienā atkarībā no mākoņu segas un mitruma. Vietās ar ierobežotu saules gaismu vai zemu mitruma līmeni paneļi ir mazāk efektīvi. Bet Frīzens saka, ka divas vienības uz viņa mājas jumta Arizonas štatā nodrošina pietiekami daudz dzeramā ūdens viņa četru cilvēku un divu Veimāriešu ģimenei vietā, kur vidēji 110 dienas ir trīsciparu temperatūra un vairāk nekā septiņus mēnešus viencipara mitrums. Ūdeni nevar ražot sasalšanas apstākļos, taču tas ierobežo hidropaneļu lietderību ziemas klimatā.

Zero Mass Water sākās 2014. gadā bijušajā Volvo dīlera birojā. Pagājušā gada beigās strādnieki karāja izkārtnes virs ieejas jaunajā galvenajā mītnē, nomaļā industriālajā ēkā dažas jūdzes uz dienvidiem Tempē. Uzņēmums ir piesaistījis 65 miljonus USD riska kapitālā un uzstādījis paneļus 37 valstīs gan džungļos, gan tuksnešos. Avotu paneļi ir nodrošinājuši ūdeni valdības birojos, viesnīcās, slimnīcās, skolās un restorānos, kā arī Sīrijas bēgļu nometnēs, Puertoriko pēc viesuļvētras Maria un meiteņu fondam Kenijā.

Bet ierīces ir dārgas; katrs hidropanelis maksā 2500 USD, un divu paneļu masīva uzstādīšana var maksāt līdz 6500 USD. Lai īstenotu savu redzējumu par ūdens nodrošināšanu ikvienam cilvēkam jebkurā vietā, Frīzenam būs jāsamazina izmaksas. (Līdz šim daudzas iekārtas ir finansētas no valdību, fondu un NVO dotācijām.) Tikmēr viņš nesen paziņoja, ka uzņēmums ievieš uz pusi mazāku iekārtu ar nospiedumu, ko ir vieglāk integrēt ar dzīvojamo māju saules paneļiem. Viņš saka, ka saules PV bija vajadzīgas gadu desmitiem, lai sasniegtu pašreizējo stāvokli ar ekonomisku un veiktspējas efektivitāti. Tikai piecu gadu laikā mums ir izdevies atspoguļot šo izaugsmi un virzīties uz trajektoriju, lai Source ūdens būtu pieejams ievērojami saīsinātā laika joslā.

Zero Mass Water mūsdienās aizņem lielāko daļu Frīzena laika, taču viņš joprojām ir nepilna laika asociētais profesors un vecākais ilgtspējības zinātnieks ASU Ilgtspējības institūtā.

Frīzenam, kurš Obamas administrācijas laikā strādāja divus termiņus ASV Ražošanas padomē, līdz šim ir piešķirti 63 patenti, un viņš pagājušajā rudenī ieguva 2019. gada Lemelsona-MIT balvu par izgudrojumu. 500 000 ASV dolāru balva, ar kuru tiek godināti izgudrotāji, kuru darbs sola uzlabot pasauli, atspoguļoja viņa darbu gan pie cinka-gaisa akumulatora, gan hidropaneļa. Es joprojām kniebu sevi, saka Frīzens, kurš lielāko naudas balvu izmanto, lai uzstādītu savus hidropaneļus Bahia Hondita, Kolumbijas ciematā, kurā ir liels dzeramā ūdens trūkums. Viņš izvēlējās uzstādīšanas vietu, piezvanot draugam no Conservation International un pajautājot, kurā vietā palīdzība visvairāk nepieciešama.

Gerijs Dirkss, ASU Global Futures Lab vecākais direktors, nav pārsteigts par to, kā viņa kolēģis tērē savu naudas balvu, ņemot vērā, ka Frīzens ir arī izveidojis stipendijas jauno uzņēmēju atbalstam universitātē. Abi satikās, kad Frīzens veica hidropaneļa beta testēšanu, un Dirks piekrita novirzīt dotācijas naudu projektam. Viņš ir ļoti gudrs sērijveida uzņēmējs un sērijveida izgudrotājs. Tas ir tas, ko viņam patīk darīt, un viņam patīk uzņemties patiešām lielas lietas, saka Dirks, kurš raksturo Frīzenu kā cilvēku, kurš veic misiju.

Frīzens saka, ka [pētījuma] gala rezultātam nevajadzētu būt publikācijai. Akadēmiskā vide ir jaunu zināšanu radīšana un par šo zināšanu tulkošanu — to ceļojumu ārpus laboratorijas un praktiskos lietojumos, kas var uzlabot cilvēku dzīvi.

Tā nerunā labi iestudētais, pieslīpētais pārdevējs, saka Dirks: viņu motivē lielās pasaules problēmas.

paslēpties