7 Minutės
Įsivaizduokite, kad iš akmenuotos, dykumos oro ertmės galite greitai išgauti gėrimą — ne per valandas, o per kelias minutes. Masačio instituto (MIT) tyrėjų komanda pristatė ultragarsinę sistemą, kuri tai ir atlieka: atmosferos drėgmę koncentruoja ir paverčia vartojamu vandeniu žymiai greičiau bei su mažesnėmis energijos sąnaudomis nei tradiciniai saulės energija varomi metodai. Šis požiūris žada naujas galimybes atmosferos vandens kaupimui, sprendžiant vietines vandens trūkumo problemas ir atveriant galimybes naudoti technologiją atokesnėse ar sausose zonose.
Kaip veikia ultragarsinis vandens kaupiklis
Tradicinis atmosferos vandens kaupimas (AWH — angl. atmospheric water harvesting) dažniausiai remiasi porėtomis ar kempinės pavidalo sorbcinėmis medžiagomis, kurios adsorbuoja vandens garus iš oro. Populiarios medžiagos šioje srityje yra metaliniai organiniai karkasai (MOF), silikagelis, zeolitai ir kitos higroskopinės medžiagos, kurios pasižymi dideliu sorbciniu pajėgumu ir tam tikromis adsorbcijos izotermomis. Tačiau išgaunant sugertą vandenį, tradiciniai sprendimai paprastai reikalauja ilgalaikio šildymo — dažniausiai saulės kolektorių arba elektrinių šilumos šaltinių pagalba — kad drėgmė išgaruotų ir vėliau kondensuotųsi. Tas procesas yra laiko imlus ir energetiškai intensyvus, o jo efektyvumas mažėja esant žemai santykinei drėgmei arba debesuotai nakčiai.
MIT komanda pasirinko kitokį mechanizmą: jie sukonstravo įrenginį aplink piezoelektrinę keraminę plokštę, kuri vibracijos būdu generuoja ultragarsines bangas, kai jai taikoma elektrinė įtampa. Ultragarsinės — aukštos dažnio — svyravimai mechaniniu būdu griauna silpnus ryšius tarp vandens molekulių ir sorbento paviršiaus, todėl vanduo neišgaruoja per šildymą, o tiesiog išmetamas kaip mikroninės lašelės iš pačios medžiagos. Toks mechaninis atskyrimas leidžia tiesiogiai atskirti ir nukreipti lašelius į kolektorių, apeinant energiją reikalaujantį fāzių pakeitimą iš skysčio į garus.
Našumo pranašumas: greitis ir efektyvumas
Prototipas demonstravo įspūdingą pranašumą: maždaug 45 kartų didesnį efektyvumą, palyginti su tradiciniu garavimo pagrindu veikiančiu atlaisvinimu. Šį padidėjimą lemia dvi pagrindinės priežastys. Pirmoji — ultragarsinis atlaisvinimas išdžiovina sorbentą per kelias minutes, o ne per kelias valandas, todėl dingsta ilgos laukimo trukmės, susijusios su saulės šildymu ar kitokiu silpnu šilumos tiekimu. Antroji priežastis — ultragarsas tiesiogiai taikosi į vandens ir sorbento sąsają, sunaudodamas daug mažiau energijos nei reikėtų pakelti visos sorbento masės temperatūrą, kad išjudinti adsorbuotą drėgmę. Tokiu būdu energijos sąnaudos vienam vandens litrui arba gramui sumažėja reikšmingai, o ciklų dažnumas per dieną gali būti padidintas, kas didina bendrą paros derlių.
Techniniu požiūriu ultragarsinis metodas taip pat pasižymi greitesne kinetika: mechaniškai išmušti lašeliai yra mikroninių matmenų, tai lemia greitą kondensato susitelkimą ir nukreipimą į surinkimo kanalus be būtinybės palaikyti aukštą temperatūrą. Be to, piezoelektrinės plokštės (dažnai pagamintos iš PZT tipo keramikos) yra gerai išbandytos pramonėje, jos gali veikti aukštais dažniais — dažnai virš 20 kHz — ir būti valdoma efektyviais impulsiniais elektros grandiniais, leidžiančiais optimizuoti energijos valdymą ir ciklų trukmę.
Kodėl dykuma yra svarbi
Daugelis AWH sistemų stringa ar praranda efektyvumą sausose, aridiškose vietovėse, nes žema santykinė oro drėgmė sumažina pasyvią sorbciją ir pailgina sorbento prisotinimo laiką. Tačiau ultragarsinis įrenginys netgi mažesnės absoliutinės drėgmės sąlygomis gali efektyviau pritraukti ir išgauti vandens daleles, nes mechaninis išmetimas priklauso ne tiek nuo garų kiekio ore, kiek nuo to, kiek vandens sėdi sorbento paviršiuje ir kokiu greičiu jis gali būti atlaisvintas. Tai reiškia, kad technologija išplečia atmosferinio vandens kaupimo galimybes į dykumas ir vietoves, kur tradiciniai saulės šildymo metodai yra mažiau naudingas ar per lėti.
Be to, dykumų ir sausų regionų klimatiniai modeliai dažnai rodo naktinį temperatūros kritimą ir kondensaciją paviršiuje tam tikromis sąlygomis; kombinavus ultragarsinį mechanizmą su efektyvia sorbcine medžiaga ir tinkamu kolektoriaus dizainu, galima optimizuoti paros ciklus taip, kad sistema sugertų drėgmę naktį ir išleistų ją kontroliuojamu laiku, padidindama vandens išeigą per parą. Tai atveria kelią autonominiams, nepriklausomiems AWH įrenginiams dykumų bendruomenėms, žemės ūkiui arba gelbėjimo operacijoms sausrų metu.
Praktinis dizainas ir tolesni žingsniai
Tyrėjai įsivaizduoja kompaktiškus blokus, kurie integruotų nedidelę saulės plokštę, drėgmės jutiklį ir ultragarsinį aktyvatorių, kartu su surinkimo ir filtravimo moduliu. Valdymo logika galėtų veikti taip: jutiklis aptinka, kad sorbentas pasiekė prisotinimo ribą, siunčia signalą mikrovaldikliui, kuris aktyvuoja piezoelektrinę plokštę tam tikram impulsų rinkiniui, o išsiskyrusios mikroskopinės lašelės yra nukreipiamos į kondensato kanalą bei surenkamos į rezervuarą. Šį ciklą galima kartoti kelis kartus per dieną, priklausomai nuo saulės energijos prieinamumo, oro sąlygų ir sorbento regeneracijos greičio, taip padidinant paros vandens kiekį.
Praktiniuose įrenginiuose svarbūs keli inžineriniai sprendimai: sorbentų atranka (MOF, modifikuotas silika-gelis, polimeriniai kompozitai), piezoelektrinės plokštės geometrija ir joje sklindančių bangų režimas, lašelių nukreipimo struktūros (hidrofobiniai ir hidrofiliški takai), kolektorių filtravimas bei vandens kokybės palaikymas. Be to, reikalingas tinkamas sandarumas, apsauga nuo smėlio ir dulkelių (ypač dykumų sąlygomis), ilgaamžiškumo testavimas daug ciklų metu ir sistemos modulinių komponentų pakeičiamumas kasdienių priežiūros darbų metu.
Studija, paskelbta žurnale Nature Communications, pateikia laboratorinius rezultatus ir energijos analizę, parodančią pradinį prototipo veikimo efektyvumą ir palyginimus su tradiciniais metodais. Nors dabartinis modelis yra koncepcijos įrodymas, perspektyva įgyvendinti lauko sąlygoms pritaikytus įrenginius yra aiški: reikia optimizuoti sorbentų formules ir struktūras (siekiant didesnio adsorbcijos koeficiento ir greitesnės kinetikos), padidinti aktyvatoriaus skersmenį arba integruoti kelis piezo elementus, bei sukurti žemos kainos elektroninius valdiklius autonominiam darbui. Taip pat būtini išsamūs lauko bandymai skirtinguose klimato regionuose, siekiant išmatuoti realų paros derlių, įvertinti priežiūros poreikį ir nustatyti veikimo patikimumą ilgesniu laikotarpiu.
Pasekmės ir perspektyvos
Ši technologija gali pakeisti tai, kaip nutolusios bendruomenės gauna geriamąjį vandenį, integruojant ultragarso AWH su egzistuojančiomis technikomis, pavyzdžiui, jūros vandens atskiedimu (desalinacija) arba lietaus vandens surinkimu. Įsivaizduokite savarankiškas stotis be tinklo (off-grid), kurios teiks skubų vandenį sausrų metu, arba nešiojamus komplektus humanitarinės pagalbos operacijoms. Be to, technologija gali papildyti agrotechnologijas mažo masto drėkinimui, užtikrinti vandenį stebimos infrastruktūros punktams ir netgi tarnauti kaip lokalizuotos vandens tiekimo sistemos žemėse be centralizuotos vandentiekio tinklų.
Ekonominiu ir ekologiniu požiūriu ultragarsinis AWH gali pasižymėti mažesne anglies dvideginio emisija vienam pagamintam vandens litrui nei kai kurie tradiciniai energijos intensyvūs procesai, ypač jei įrenginys naudoja saulės energiją ir efektyvias piezoelektrines grandines. Tačiau reikia atsižvelgti į medžiagų ir gamybos ciklo poveikį, sorbentų gamybos sudėtingumą bei galimą elementų (pavyzdžiui, PZT) toksiškumą gamybos ir utilizavimo etapuose. Todėl tolimesnė optimizacija turėtų apimti ne tik veiklos parametrus, bet ir medžiagų tvarumą bei perdirbamumo aspektus.
Ateities darbai turėtų apimti: platesnius lauko bandymus skirtinguose klimato regionuose, ilgalaikio eksploatavimo ir nesėkmių režimų analizę, vandens kokybės tyrimus po surinkimo (mikrobiologinė ir cheminių priemaišų kontrolė) bei integraciją su skaitmeniniais valdymo sprendimais (IoT jutikliai, debesų duomenų analizė, automatizuotas energijos valdymas). Kombinuotas požiūris — geresni sorbentai + optimizuoti ultragarsiniai aktyvatoriai + prieinama elektronika — gali paversti šią koncepciją komerciniu technologiniu sprendimu, kuris būtų prieinamas tiek vystančių šalių rinkoms, tiek specializuotoms taikomosioms sritims.
Apibendrinant, ultragarsinis atmosferos vandens kaupimas yra perspektyvi kryptis sprendžiant vandens trūkumo iššūkius. Jei sėkmingai bus pritaikyta medžiagų inžinerija ir sistemų projektavimas, ši technologija gali tapti praktiniu, energiją tausojančiu papildomu šaltiniu vandens tiekimui tiek rutininėse, tiek krizinėse situacijose.
Šaltinis: smarti
Palikite komentarą