Az MIT kutatói jelentősen növelték annak a berendezésnek a kitermelését, amely a Nap vagy bármilyen más energiaforrás segítségével száraz klímán is képes iható vizet kivonni a levegőből.

A Massachusetts Institute of Technology (MIT) munkatársai más kutatóintézetekkel együttműködve továbbfejlesztették a három évvel ezelőtt kidolgozott prototípus-berendezésüket, amely így egyre közelebb kerül a gyakorlati alkalmazáshoz. A készüléket praktikus vízforrásnak szánják olyan területekre, ahol mind a vízhez, mind az elektromossághoz való hozzájutás problémás. Az MIT Mechanikus Mérnöki Tanszékének vezetője, Evelyn Wang professzor által irányított kutatás eredményeit a Joule című folyóirat legutóbbi számában tették közzé.

A készülék korábbi változatával Wang és munkatársai bizonyították a koncepció gyakorlati alkalmazhatóságát.

Az elsőként bemutatott rendszer a készüléken belül fellépő hőmérsékletkülönbséget használta ki arra, hogy egy adszorbens tulajdonságú – a felszínén nedvességet megkötő – anyag segítségével éjszaka párát vonjon ki a levegőből, majd másnap víz formájában kibocsássa azt.

Amikor napsütés éri a berendezést, a napfény által felforrósított tető és az árnyékolt alsó rész közötti hőmérsékletkülönbség hatására a megkötött vízpára kiszabadul az adszorbens anyagból, és folyékony formában lecsapódik egy gyűjtőtálcán.

Ennek a készüléknek azonban több komoly hátulütője is volt: egyfelől a lelkét jelentő adszorbens olyan fémorganikus mátrixot tartalmazott, amelynek előállítása költséges, és a hozzá szükséges nyersanyagok elérhetősége korlátozott, másfelől a vízkihozatal nem volt elégséges a gyakorlati alkalmazáshoz.

A továbbfejlesztett berendezésbe azonban beépítettek egy második lépcsőt a deszorpció – az adszorbensből való vízkilépés – és a lecsapódás hatékonyságának fokozására, és adszorbensnek egy sokkal általánosabban elérhető anyagot alkalmaztak.

Ezáltal nemcsak a vízkihozatal fokozódott jelentősen, hanem a gyártási folyamat is felskálázhatóvá vált, s így már alkalmas egy jövőbeni széleskörű forgalmazás igényeinek kielégítésére – állítják a kutatók. Wang elmondása szerint a csoport a készülék első változatának sikeres próbája után úgy érezte: „remek, hogy van egy kis prototípusunk, de hogyan váltsunk ezzel léptéket?" A működés továbbfejlesztésével és a felhasznált anyagok újragondolásával most nagy lépést tettek ebbe az irányba.

Forrás: Pinterest

Így működik az új fejlesztés

A fémorganikus mátrixok helyett az új változat a zeolitoknak nevezett anyagok egy formáját, jelen esetben a mikroporózus vas-alumíniumfoszfátot alkalmazza a vízpára megkötésére.

Ez az anyag korlátlanul elérhető, stabil, és adszorbens tulajdonságai pont megfelelőek egy olyan hatékony vízgyűjtő rendszerhez, amely pusztán a normális napi hőingadozást és a napsütés adta meleget használja fel.

A tanulmányban doktoranduszként közreműködő Alina LaPotin által kifejlesztett kétlépcsős megoldás elmésen aknázza ki azt a hőt, amely a víz halmazállapotváltozásaikor keletkezik. A napsütés hőjét a dobozszerű szerkezet tetejére szerelt napkollektor összegyűjti, és felmelegíti vele a zeolitot, amely az éjszaka folyamán magába szívta a légnedvességet. Az így kipárolgó vízgőz lecsapódik a gyűjtőtálcán, ami megint csak hőt szabadít fel. A trükk az, hogy a gyűjtőtálca egy rézlemez, amely közvetlenül egy második zeolitréteg fölé van szerelve, és azzal érintkezésben áll, így a vízkondenzáció során keletkező hő közvetlenül a második zeolitrétegbe zárt nedvesség felszabadítására fordítódik. A két zeolitrétegből összegyűjtött vízcseppek aztán egy közös tartályba érkeznek.

A teljes folyamat a napkollektor négyzetméterére eső maximális kinyerhető vízmennyiséget tekintve nagyjából kétszeres hatékonyságú az eredeti dizájnhoz képest. A pontos mutatók persze a körülményektől – leginkább a helyi hőmérsékletingadozástól, a napsugárzás erejétől és a légnedvességtől – függenek. Az új rendszer prototípusát az MIT egyik épületének tetejére szerelték fel, ahol Wang elmondása szerint a korábbihoz viszonyítva nagyságrendekkel több vizet termelt.

A prototípusForrás: Alina LaPotin

Bár más alkalmazásokra, például a tengervíz sómentesítésére terveztek már hasonló kétlépcsős rendszereket, a légnedvesség gyűjtésére még senki sem próbálkozott ezzel a megoldással – emelte ki Wang, hozzátéve: a már ismert légnedvesség-kollektorok főleg köd- és harmatgyűjtők, azonban mindkét eljárásnak megvannak a maga korlátai. A ködgyűjtők csak 100 százalékos relatív páratartalom mellett működnek, és jelenleg csak partmenti sivatagokban használatosak, a harmatgyűjtőkben pedig energiaigényes hűtési folyamat biztosítja a víz lecsapásához kellően hideg felületet, és még így is – a környezeti hőmérséklettől függően – legalább 50 százalékos relatív páratartalmat igényelnek a működésükhöz.

Az új vízkollektor ezzel szemben már akár 20 százalékos páratartalom mellett is használható, és a napsütésen vagy bármely egyéb mérsékelt hőmérsékletű hőforráson kívül semmilyen más energiabevitelt nem igényel.

LaPotin kiemelte: a hatékonyság kulcsa a kétlépcsős architektúra, s most, hogy ennek sikere gyakorlati bizonyítást nyert, nyitva áll a lehetőség még nagyobb vízkinyerést biztosító adszorbens anyagok keresésére. A jelenlegi, a napfénygyűjtő felület négyzetméterére számított napi 0.8 literes kitermelési ráta elégséges lehet bizonyos alkalmazásokhoz, de ha az anyagok még szerencsésebb megválasztásával és módosításával ez tovább növelhető, akkor már nagy léptékben is praktikussá válhat a berendezés – véli a kutató.

Egyes fejlesztés alatt álló anyagok máris a most használt zeolit adszorpciós képességének ötszörösét produkálják, és megfelelő tervezéssel ez az ötös szorzó a vízkitermelésbe is átfordítható.

A csoport jelenleg a prototípus anyagainak és felépítésének finomításán dolgozik, hogy a berendezés alkalmassá váljon olyan konkrét feladatokra, mint például a katonai terepi hadműveletek, amelyekhez hordozható formátumra van szükség. A kétlépcsős rendszerben is rejlik még kiaknázható lehetőség, mert ha a napfényen kívüli hőforrások bevonásával napi több hőmérsékleti ciklust le lehetne futtatni, az szintén tovább növelné a vízkitermelést.