MIT dosłownie wytrząsa wodę z powietrza. Nowe urządzenie robi pitną wodę w kilka minut, nie godzin
Inżynierowie z MIT opracowali urzadzenie wykorzystujące wibracje ultradźwiękowe do ekstrakcji wody ze specjalnych materiałów sorpcyjnych. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod, które polegają na ogrzewaniu materiału do momentu odparowania wody, nowa technologia fizycznie wytrząsa cząsteczki wody za pomocą precyzyjnie kontrolowanych drgań. Tak się składa, że podstawowy problem dotychczasowych systemów polegał na tym, że materiały skutecznie zatrzymujące wilgoć jednocześnie utrudniały jej uwolnienie. Ultradźwięki oferują eleganckie rozwiązanie tego problemu poprzez precyzyjne rozrywanie słabych wiązań między cząsteczkami wody a miejscami ich osadzenia w materiale.
Efektywność nowego rozwiązania wyraża się w liczbach, bo taki oto system ultradźwiękowy okazuje się 45 razy bardziej wydajny w ekstrakcji wody niż metody wykorzystujące energię słoneczną. Podczas gdy tradycyjne systemy wymagają od kilkudziesięciu minut do kilku godzin na przeprowadzenie pojedynczego cyklu, nowa technologia radzi sobie z tym zadaniem w zaledwie kilka minut. Dodatkową zaletą jest możliwość zasilania urządzenia małą baterią słoneczną, co czyni je praktycznym rozwiązaniem dla obszarów pozbawionych dostępu do sieci energetycznej. Automatyzacja procesu umożliwia wielokrotne cykle w ciągu dnia, bo system aktywuje się samoczynnie, gdy materiał sorpcyjny osiągnie pełną pojemność wilgoci.
Dlaczego ten nowy sposób pozyskiwania wody z powietrza jest tak przełomowy?
W klasycznych systemach pozyskiwania wody z powietrza materiał sorpcyjny pełni funkcję gąbki, która chłonie wilgoć, ale niechętnie się z nią rozstaje. Wymuszenie tego rozstania za pomocą ciepła oznacza konieczność podgrzania nie tylko samej wody, ale całego materiału oraz elementów konstrukcyjnych. To obniża sprawność energetyczną takiego rozwiązania i czyni je mało atrakcyjnym w zastosowaniach off-grid.
W podejściu opracowanym na MIT to właśnie ultradźwięki przejmują rolę “wyłącznika” wiążącego wodę z sorbentem. Drgania o odpowiednio dobranej częstotliwości i amplitudzie nie niszczą struktury materiału, ale za to uderzają w najsłabsze ogniwo układu, bo delikatne wiązania utrzymujące cząsteczki wody na powierzchni. W praktyce oznacza to możliwość zaprojektowania cyklu pracy, w którym materiał jest szybko nawilżany, a następnie równie szybko oddaje wodę i to bez konieczności prowadzenia długotrwałego, energochłonnego grzania.
Czytaj też: Zszedł w głębiny, a Chiny dostały skarb. Głębinowe górnictwo to już nie marzenia
Dzięki temu obszar do optymalizacji przenosi się z termodynamiki na mechanikę i akustykę. Zamiast szukać coraz wydajniejszych sposobów podawania ciepła, badacze mogą regulować parametry systemu ultradźwiękowego i strukturę materiału tak, aby maksymalnie przyspieszyć proces odzyskiwania wody. To ważne nie tylko z punktu widzenia wydajności, ale także trwałości samego urządzenia, które nie jest narażone na ciągłe cykle rozgrzewania i chłodzenia.
Naturalnie na świecie testowane są już konstrukcje wykorzystujące wymienniki ciepła o bardzo niskiej temperaturze, specjalne membrany czy sieci do zbierania mgły. Każde z tych rozwiązań ma jednak swoje ograniczenia, bo jedne wymagają dużych nakładów energii, inne są ściśle zależne od lokalnego klimatu, a jeszcze inne trudno skalować poza sprzęt demonstracyjny. Ultradźwiękowy system z MIT proponuje inną ścieżkę, bo nie polega na wychładzaniu powietrza do punktu rosy ani na budowaniu rozległych instalacji, które trzeba montować na otwartej przestrzeni.
Propozycja z MIT skupia się na małym, ale bardzo intensywnie pracującym module, a taka filozofia projektowania jest szczególnie atrakcyjna dla miejsc, gdzie infrastruktura jest rozproszona albo w ogóle nie istnieje. W miejsce jednego “wielkiego projektu” inwestorzy mogą myśleć o stopniowym wyposażaniu budynków, punktów medycznych czy szkół w autonomiczne moduły wytwarzające wodę na miejscu. To nie tylko zwiększa odporność na awarie, ale też uniezależnia lokalne społeczności od jednego, centralnego źródła zaopatrzenia.
Realna szansa dla obszarów dotkniętych suszą
W obliczu globalnego ocieplenia i rosnącego zapotrzebowania na wodę pitną, alternatywne źródła wody stają się coraz bardziej istotne. Atmosfera zawiera ogromne ilości wilgoci, a głównym wyzwaniem pozostaje efektywne jej wydobycie. Nowa technologia MIT bezpośrednio odpowiada na ten problem, a kluczowym elementem sukcesu jest możliwość przeprowadzania wielu cykli dziennie. Zamiast jednego długiego procesu ekstrakcji, system może pracować cyklicznie, kumulując znaczące ilości wody w ciągu doby. To podejście zmienia ekonomiczne podstawy systemów pozyskiwania wody z atmosfery.
Zespół pracuje obecnie nad skalowaniem technologii i jej optymalizacją dla różnych warunków klimatycznych. Jeśli urządzenie sprawdzi się w praktycznych warunkach, może stanowić odpowiedź na jedno z najpoważniejszych wyzwań współczesnego świata – zapewnienie dostępu do czystej wody pitnej dla milionów ludzi. W praktyce tego typu technologia może mieć znaczenie nie tylko w odległych regionach pustynnych. Wyobraźmy sobie rosnące miasta w strefach o coraz bardziej nieregularnych opadach, gdzie klasyczna infrastruktura wodociągowa pracuje na granicy wydolności. Niewielkie, autonomiczne moduły pozyskujące wodę z powietrza mogłyby pełnić rolę “bezpieczników” dla systemu, odciążając go w okresach największego zapotrzebowania.
Jeszcze wyraźniej widać potencjał w sytuacjach kryzysowych: po przejściu huraganu, trzęsieniu ziemi czy powodzi, gdy sieć wodociągowa jest zniszczona, a dostęp do wody pitnej staje się najpilniejszą potrzebą. Urządzenie, które da się zasilić niewielkim panelem słonecznym, może w takich warunkach działać jak lokalne, awaryjne źródło wody, niezależne od stanu infrastruktury. W dłuższej perspektywie technologia tego typu może też wpłynąć na sposób planowania nowych osiedli czy obiektów użyteczności publicznej. Jeżeli w przyszłości moduły pozyskujące wodę z powietrza staną się równie oczywiste jak panele słoneczne na dachach, zmieni się rozkład odpowiedzialności za bezpieczeństwo wodne: część tej odpowiedzialności przejmą pojedyncze budynki, a nie tylko centralne systemy zaopatrzenia.
Perspektywy i ograniczenia wytrząsania wody z powietrza
Historia tej technologii jest dobrym przykładem na to, że przełomy nie zawsze polegają na spektakularnych, gigantycznych instalacjach. Czasem sprowadzają się do zmiany sposobu patrzenia na dobrze znany problem: zamiast zużywać coraz więcej energii, żeby zmusić wodę do odparowania, lepiej delikatnie poluzować więzy, które zatrzymują ją w materiale. Tak właśnie robi urządzenie z MIT, zamieniając z pozoru abstrakcyjne zjawiska fizyczne w bardzo namacalny efekt – krople wody.
Jeżeli podobne systemy zaczną trafiać do masowej produkcji, mogą stać się jedną z technologicznych “niewidzialnych rąk” stabilizujących świat, w którym klimat staje się coraz mniej przewidywalny. Nie zastąpią tradycyjnej infrastruktury tam, gdzie ta działa dobrze, ale mogą wypełnić luki na mapie, w miejscach zbyt odległych, zbyt biednych albo zbyt niestabilnych politycznie, by budować tam klasyczne wodociągi.