De høster vand fra atmosfæren 24 timer i døgnet – uden brug af energi

Illustration: ETH Zurich / Iwan Hächler

En ny teknologi gør det muligt at hive drikkevand ud af atmosfæren 24 timer i døgnet uden nogen brug af energi.

Forskerne bag teknologien, som kommer fra det tekniske universitet ETH Zurich, påpeger, at lignende teknologier til vandopsamling har et særdeles højt energiforbrug.

Derfor regner de med at deres opdagelse vil være relevant for mange mennesker – særligt i de dele af verden, hvor adgangen til vand er knap.

»Selvom der samlet set er nok drikkevand på Jorden til at understøtte vores forbrug, så er det ikke alle steder, hvor udbuddet møder efterspørgslen. En kombination af befolkningsvækst og klimaforandringer udgør samtidig en trussel mod de globale vandressourcer,« skriver forskerne en artikel om deres resultater, der er udgivet i tidsskriftet Science Advances.

Selvkølende - selv i varmen

Grundlæggende er der to muligheder i de områder, hvor vand er en mangelvare: afsaltning af havvand eller kondensering af fugtigheden i luften.

Førstnævnte metode kræver store mængder energi og kan kun bruges af samfund, som befinder sig tæt på kysten. Traditionelt kræver kondensering også meget energi, medmindre man udnytter temperaturskiftet mellem nat og dag til at opsamle dug – en metode der er begrænset til særlige tidspunkter af døgnet.

Illustration: Iwan Hächler

Den nye teknologi fra Zurich er også en form for kondensator, men den har intet energiforbrug og fungerer selv i bagende solskin.

Kondensatoren består af en glasrude belagt med et sølvlag og specialdesignede polymer. Belægningen gør den i stand til at sende sin egen varme gennem atmosfæren og ud i verdensrummet. Glasruden er omkranset af en strålingsskærm, der beskytter ruden mod varmen i solens stråler og i atmosfæren.

Dermed kan ruden køle sig selv ned til 15 grader celsius under den omgivende temperatur. Når den varmere luft møder den køligere overflade, opstår der kondensvand, som bliver opsamlet i en tank under kondensatoren.

Storskala

Forskerne har testet teknologien med en lille pilotmodel. Testene viste, at kondensatoren var i stand til at opsamle omkring dobbelt så meget vand i døgnet som de kondensatorer, der opsamler dug.

Testmodellen brugte et glasrude med en diameter på 10 centimeter og var i stand til at levere 4,6 milliliter vand om dagen. En større model ville kunne producerer mere vand og forskerne formåede at vise, at kondensatoren under optimale omstændigheder kunne opsamle 53 milliliter vand i timen med en rude på én kvadratmeter.

Teknologien skal selvfølgelig være i et storskala-system, hvis den skal bidrage seriøst til løse problemer med vandmangel. Forskerne forestiller sig, at kondensatorne kan sættes op i rækker, ligesom det er tilfældet med solceller.

Rettet: I en tidligere version stod der, at forskerne kunne opsamle 5,3 liter vand under optimale omstændigheder. Det er forkert, og er nu rettet til 53 milliliter.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Måske for godt til at være sandt. Har regnet på tallene. Mit resultat blev 4,6 liter pr døgn, for en rude på 1 m2. "Under optimale omstændigheder" kan der opsamles 5,3 liter vand i timen, påstås det i artiklen. Det var formentlig da der var et skybrud som ganske belejligt drev ind over da målingen blev udført. - Jeg accepterer at en reflekterende overflade kan forhindre opvarmning. Men tvivler på at en reflekterende overflade ligefrem kan have en kølende virkning ??

  • 3
  • 21

@Flemming

Termisk ligevægt med verdensrummet(3Kelvin varmt) igennem udvalgt spektrum af elektromagnetisk stråling er skam god nok. Det er selvfølgelig begrænset kølende effekt men mon ikke en hurtig udregning med blackbody radiation formel kan give et størrelsesordens estimat for køling af 1m2?

  • 17
  • 0

Men tvivler på at en reflekterende overflade ligefrem kan have en kølende virkning ??

Det kan den også kun, fordi der er tale om elektromagnetisk stråling i to forskellige frekvensområder. For en given frekvens er absorptionskoefficieneten lig med emissionskoeffifienten, så et legeme, der er reflekterende (ikke absorberende), kan heller ikke stråle.

Atmosfæren består for ca. 99 % vedkommende af de homonukleare, di-atomare molekyler O2 og N2, som hverken kan udsende eller absorbere elektromagnetisk stråling uanset temperatur. Om O2 og N2 kan sprede elektromagnetisk stråling, ved jeg ikke; men det er tvivlsomt, når de jo ikke interagerer med den, så var der ikke støv og andre molekyler i atmosfæren til at sprede lyset, ville verdensrummet formodentlig se sort og ikke blåt ud og dermed give en bedre intuitiv fornemmelse for, hvordan køling med elektromagnetisk udstråling til det 2,7 K kolde univers virker.

Det er så i øvrigt her, at drivhusgasser som vanddamp kommer ind i billedet; men det er jo en anden sag.

Ved kølingen drejer det sig både om at skabe en reflekterende overflade, som begrænser varmeindstrålingen fra den blå (og ikke sorte) himmel og samtidig skabe noget, der er så sort som muligt i det dybt infrarøde område for at få sendt mest mulig varmestråling ud i verdensrummet. Her er det sådan, at materialer, der er stærk reflekterende i det synlige område, ofte samtidig er meget tæt på et absolut sort legeme i det dybt infrarøde. Et skoleeksempel er nyfalden sne! Ifølge linken til den oprindelige artikel har forskerne opnået en emissionsfaktor på 0,93 i det infrarøde område og en absorptionsfaktor på kun 0,04 i det synlige. Hvis luften stod fuldstændig stille i tragten, kunne man måske køle mere end de 15 grader C; men så kommer der jo ikke ny fugtig luft til, som kan kondenseres, så det er nok et kompromis.

  • 26
  • 4

"Hive drikkevand ud af atmosfæren" - jeg tror ikke, at det er sundt at drikke det vand, og det gør lidt av i maven, at drikke destilleret vand.

  • 3
  • 27

Lidt regneri. 1l vand kræver 2400kJ at kondensere og der er3600s på en time, så der skal bruges 800W for at få 1 liter i timen. Fra andre høres det at man maksimalt kan opnå 100W/m2. Ved stuetemperatur stråler en flade ca. 400W totalt, så de 800W er umulige at opnå.

I så fald kræver det overmættet luft og udnyttelse af dag/nat temperaturændringer, men så er det ikke stråling der gør det. Presseafdelingen har vist været lidt for kreativ.

  • 14
  • 3

Tak til Carsten Kanstrup for en mere uddybende forklaring

De fysiske principper er beskrevet nærmere i:

https://en.wikipedia.org/wiki/Radiative_co...

Især afsnittet "Architecture" er relevant og mest konkret.

2 citater: 1) In 2014, researchers developed the first daytime radiative cooler using a multi-layer thermal photonic structure that selectively emits long wavelength infrared radiation into space, and can achieve 5 °C sub-ambient cooling under direct sunlight.[11]

2) In experiments under direct sunlight, the coatings achieve 6 °C sub-ambient temperatures and cooling powers of 96 W/m2.

  • 1
  • 2

Supplerende referencer:

Anti-solcelle - men eksemplerne kommer ikke op på 15K køling - så det er en ny rekord.

Systemet forudsætter en stort set skyfri himmel dag og nat, da den termiske infrarøde stråling er i bølgelængdeintervallet 8-13 um, som skyer er uigennemsigtige overfor.

15K køling kan fx også anvendes til at en Stirlingmotor kan lave elektrisk energi af temperaturforskellen.

  • 6
  • 0

Det fascinerende er at det er utroligt billigt at producere enorme mængder film, der kan holde i årtier.

Sidst jeg så teknologien omtalt var det muligt at skabe 10 graders interval, men allerede da kunne jeg se et par muligheder for at optimere varmeoverførslen.

Nu skriver de 15 grader ved optimale forhold, så er der god chance for 10% ved realistisk brug.

Det har enorm betydning for vertical farming, hvor den største del af energiregningen går til køling, hvis ikke man har adgang til frikøling via havet eller grundvand.

  • 3
  • 0

Jeg tror du har ment, at O2 og N2 er transparente - stort set i synligt lys.

Nej; men det er da muligt, at homonukleare, di-atomare molekyler kun er elektromagnetisk inaktive i mikrobølgeområdet dvs. i det dybt infrarøde område, hvor det har betydning for udstrålingen fra jorden. På bl.a. side 57 her: http://www.iiserpune.ac.in/~p.hazra/lectur... kan man læse:

Micro-wave ACTIVE molecules. Incident electromagnetic waves can excite the rotational levels of molecules provided they have an electric dipole moment. The electromagnetic field exerts a torque on the molecule. Homonuclear diatomic molecules (such as H2, O2, N2 , Cl2) – have zero dipole (non polar) -- have zero change of dipole during the rotation – hence NO interaction with radiation -- hence homonuclear diatomic molecules are microwave inactive.

Det er da sandsynligt, at der findes resonansfrekvenser som følge af molekylære eller atomare vibrationer i det synlige område; men det vil give ekstremt smalle spektrallinjer som i solspektret, og de vil formodentlig udgøre en så forsvindende lille del af spektret, at det stort set ikke har betydning for energien.

  • 3
  • 3

temperatursænkning med vandkondensering ville i andre sammenhænge betyde, at noget andet varmes op. Ikke en fordel i storskala drift, hvis der er rigeligt varmt . Kan man stole på, at dette ikke sker hér, men energien forsvinder pænt ud i verdensrummet, som tråden vist mener?

  • 1
  • 1

Kan man stole på, at dette ikke sker hér, men energien forsvinder pænt ud i verdensrummet, som tråden vist mener?

Det er princippet, som kan vises med et IR-termometer. Retter du det mod en skyfri himmel viser det under -20 grader selv midt på dagen. Det skyldes at sensoren ser den kolde himmel og derved bliver svagt afkølet. Rettet mod en skyet himmel vil det blot vise 5 til 10 grader koldere end jorden, svarende til skyens temperatur (og dermed dens højde).

Man kan dog ikke både have en stor temperaturforskel og fjerne varme. Den indre modstand (konduktans) er vel 4W/K.

  • 7
  • 0

Det lyder som om det kræver avancerede filtre og lignende, men det vigtigste er blot at reflektere og skærme for solens stråler. Fra https://gml.noaa.gov/grad/surfrad/ave_chec... ses det at forskellen mellem nedstrålet og opstrålet infrarød ligger mellem 50 og 100W når hele det infrarøde bånd bruges. Dette med at begrænse udstrålingen til det atmosfæriske vindue er ikke nødvendigt.

Ved at begrænse udstrålingen stråles der også mindre ud, selvom der også stråles mindre ind, men netto er effekten ikke stor.

  • 0
  • 0

Man laver en glasrude belagt med et sølvlag og specialdesignede polymer, som skaber 10-15 deg lavere temperatur end ambient temperatur.

Umidelbart virker det mere indlysende at bruge dette til almindelig air conditioning.

  • 0
  • 0

Hvis formålet er vand lavet med kondensering?

Er det nemmeste så ikke bare at tage nogle hyldevarer og sætte dem sammen ?

Et solcelle panel, et peltier element der passer med spændingen på panlet, måske 2 stablet for at øge temperatur differancen endnu mere. En stor køleflade på oversiden og en mindre på undersiden. En opsamlings spand og et simpelt stativ.

Lidt mere avanceret så ville det være; Et batteri, 300 watt panel, 2x75 watt peltier, så er der 150 watt tilbage til opladning af diverse batteridrevne små dimser.

  • 1
  • 0

Et solcelle panel, et peltier element der passer med spændingen på panlet, måske 2 stablet for at øge temperatur differancen endnu mere. En stor køleflade på oversiden og en mindre på undersiden. En opsamlings spand og et simpelt stativ.

Der er kun brug for at sænke temperaturen nogle få grader under dugpunktet, alt derunder er som udgangspunkt spildt energi der kun i meget begrænset omfang (læs: med en masse isoleringsmateriale) kan genvindes senere.

Det er også skadeligt for effektiviteten at peltierelementer er så fysisk små som de er, det betyder at luften skal bevæges ret hurtigt forbi, hvilket igen dramatisk øger luftens "medrivning" af vandatomer fra overfladen.

Det optimale forhold er en stor, skyggefuld, fugtig og skrå flade, med en temperatur lige under dugpunktet, således at luften selv falder ned langs overfladen (tør luft er tungere end let luft!) dvs. i samme retning som det kondensvand der skal løbe af, således at den hastighedsforskellen mellem vand og luft minimeres.

  • 5
  • 0

Unter idealen Bedingungen lässt sich damit pro Quadratmeter Scheibenfläche und Stunde bis zu 0,53 Deziliter Wasser gewinnen.

Hvordan det bliver til 5,3 liter/time er imponerende. De 0,053L/t er måske opnåelige ved 100% luftfugtighed.

En reel forståelsesfejl: Strahlung in diesem Bereich wird von der Atmosphäre nicht absorbiert und von den molekularen Bestandteilen der Luft auch nicht auf die Scheibe zurückreflektiert.

Atmosfæren virker ikke som et spejl, den stråler som den nu kan ifølge den temperatur den har, og det ændrer intet i hvilket bånd anordningen stråler eller ikke. Der er i øvrigt rigeligt med stråling i hele IR-båndet fra alle andre overflader. Men selvfølgelig er der mindre stråling fra atmosfæren i vinduet, og det er det de udnytter.

  • 5
  • 3

Der er kun brug for at sænke temperaturen nogle få grader under dugpunktet, alt derunder er som udgangspunkt spildt energi der kun i meget begrænset omfang (læs: med en masse isoleringsmateriale) kan genvindes senere.

Det er også skadeligt for effektiviteten at peltierelementer er så fysisk små som de er, det betyder at luften skal bevæges ret hurtigt forbi, hvilket igen dramatisk øger luftens "medrivning" af vandatomer fra overfladen.

@PHK

Da formålet er at lave vand, skal effektiviteten måles i pris/liter.

Det er bedøvende ligegyldigt om man skulle spilde 99% af energien; Bare slut produktet er billigere end konkurentens !

Og de køle flader jeg skrev om "øger" jo arealet af de enkelte peltier elementer så elementerne størrelse er ikke synderligt vigtig.

Dertil så vil de lokationer der mangler vand som regel også mangle strøm.

Løsning 1: Lav vand med en dyr avanceret kasse, og lav derefter strøm med solceller.

Løsning 2: Lav strøm med solceller[1] + et ekstra modul til at drive nogle peltier elementer på nogle billige køleflader.

Men, hvilken af løsningerne vil give mest "funktionel værdi" pr krone på disse lokationer?

Måske en løsning 3 som kunne bestå af solceller + et aircondition anlæg ville give endnu mere funktionel værdi?

Måske løsning 4 hvor man bevidst skabte meget kondensvand(afrimning) fra et køle/fryseskab ? Så kan deres mad holdes kold mens der kommer vand ud i bunden. (køleskabet drivet af solcelle.

Alle løsninger vil på et tidspunkt ende op med bakterielle udfordringer i det kondenserede vand.

[1] Solceller kan evt. suppleres/erstattes med små mikrovindmøller.

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten