Išmanios medžiagos leidžia lengviau ištraukti švarų vandenį iš oro

vandens lašeliai ant stiklo LUM3N | Atskleiskite purslą

Pasaulio gyventojų aprūpinimas švariu geriamuoju vandeniu yra vienas didžiausių XXI amžiaus inžinerinių iššūkių. Kai kuriose šalyse daugiau nei pusė gyventojų neturi prieigos prie švaraus vandens, o visame pasaulyje vienas iš trijų žmonių neturi galimybės naudotis pagrindinėmis sanitarinėmis sąlygomis, kurioms vanduo yra labai svarbus.

Tai yra rimta viduriavimo ir apskritai prastos sveikatos priežastis. Kai kuriais skaičiavimais, daugiau nei 5000 vaikų kasdien miršta nuo su viduriavimu susijusių ligų. Taigi rasti būdų, kaip gaminti švarų vandenį, yra svarbus tikslas.

Problema ta, kad dauguma metodų yra pernelyg brangūs neturtingoms šalims. Tradiciniai metodai, tokie kaip distiliavimas, atvirkštinis osmosas ir nuotekų perdirbimas, yra daug energijos suvartojantys ir brangūs. O pasyvioms technologijoms, kurios remiasi saulės energija, reikia egzotiškų medžiagų ir saulės koncentratorių, kurie yra dideli ir brangūs.

Tačiau yra ir kita technika, galinti pakeisti šį slegiantį skaičiavimą: rasos nuėmimas. Tai apima oro aušinimą, kad jame esantys vandens garai kondensuotųsi, kad būtų galima juos surinkti. Ši pasyvi technologija turi didelį gėlo vandens surinkimo potencialą dėl to, kad atmosferoje yra kaupiamas didelis vandens garų kiekis, sako Minghao Dong ir jo kolegos iš Pietryčių universiteto Nankine, Kinijoje.

Tai kelia keletą akivaizdžių klausimų. Kiek vandens galima surinkti tokiu būdu? Ir koks yra geriausias būdas jį surinkti?

Šiandien Minghao ir kolegos pirmą kartą apskaičiuoja pagrindines rasos surinkimo technologijos ribas. Tada jie aprašo, kaip paprastas įprastų metodų pakeitimas gali žymiai pagerinti naudingumą ir derlių.

Pirmiausia šiek tiek fono. Pasyvūs rasos kombainai susideda iš kondensatoriaus, plono, plokščio medžiagos lakšto, kuris skleidžia šilumą į naktinį dangų (rasos kombainai paprastai veikia tik naktį). Kondensatorius yra izoliuotas nuo žemės, kad jis negalėtų sugerti šilumos iš apačios.

Kai kondensatorius spinduliuoja energiją naktį, jo temperatūra nukrenta, vėsinant orą, esantį šalia jo. Jei oro temperatūra nukrenta žemiau rasos taško (temperatūra, kurioje oras prisotinamas vandens garų), garai kondensuosis.

Žinoma, šio proceso efektyvumas yra jautrus daugeliui veiksnių, ypač aplinkos oro temperatūrai, santykinei oro drėgmei ir greičiui, kuriuo kondensatorius gali skleisti šilumą.

Bėgant metams fizikai apskaičiavo, kiek vandens gali pagaminti toks prietaisas, kai kondensatorius yra puikiai spinduliuojantis juodas kūnas. Tačiau Minghao ir jo kolegos teigia, kad visos šios analizės praleidžia akivaizdų dalyką: jose tinkamai neatsižvelgiama į tai, kaip tikros medžiagos išskiria šilumą arba į tai, kaip Žemės atmosfera kai kuriuos šviesos bangos ilgius perduoda efektyviau nei kitus.

Dėl to pagrindinės šios technikos ribos nebuvo tinkamai išaiškintos, todėl sunku įvertinti eksperimentų atlikimą ir nustatyti, ar ši technologija tinkama įvairiomis sąlygomis, ypač santykinai sausose vietovėse.

Taigi jie pirmą kartą įtraukė šiuos veiksnius. Tai leido jiems įvertinti, kaip veiks įvairios medžiagos.

Jų metodas yra paprastas. Minghao ir kolegos pabrėžia, kad bangos ilgiai, kuriais Žemės atmosfera yra skaidriausia, yra gerai žinomi. Jie sako, kad prasminga naudoti kondensatorių, kuris spinduliuoja šiais dažniais, o ne tą, kuris spinduliuoja visais bangos ilgiais. Jie tokį kondensatorių vadina selektyviniu emitteriu ir lygina jį su juodo emiterio našumu

Rezultatai traukia akį. Tyrėjai teigia, kad kondensatoriaus spinduliavimo koeficientą suderinus su atmosferos pralaidumo charakteristikomis galima žymiai pagerinti. Pavyzdžiui, esant 20 °C (68 °F) aplinkos temperatūrai ir 40% santykinei oro drėgmei, juodasis skleidėjas jokiu būdu negali surinkti vandens. Priešingai, selektyvus skleidėjas galėtų [surinkti rasą] 13 gramų kvadratiniam metrui per valandą, sako jie.

Tai reikšmingas atradimas. Tai skirtumas tarp to, kad naktį galima nuskinti rasą tokioje vietoje, kaip Mohavės dykuma, ir tai, kad vandens visai nėra.

Tyrėjai sukūrė kondensatorių, turintį reikiamas energiją skleidžiančias charakteristikas. Jų konstrukcija sudaryta iš plonų trijų skirtingų medžiagų sluoksnių ant aliuminio pagrindo. Ši sluoksninė struktūra geriausiai skleidžia bangos ilgius, kuriuose atmosfera yra skaidriausia.

Tai įdomus darbas, galintis plačiai pritaikyti. Minghao ir jo kolegos teigia, kad rasos nuėmimas gali būti naudingas tiek drėgnose, tiek sausose vietose: pirmoji apima salas ir pakrančių miestus, kuriuos supa negeriamas jūros vanduo, o antrieji apima dykumas, kuriose trūksta bet kokio geriamojo vandens.

Ir maža tokio pasyvaus dizaino kaina taip pat yra svarbi. Pasak jų, ši pasyvi gėlo vandens surinkimo technologija papildytų esamas technologijas, ypač kaimo ir mažas pajamas gaunančiose vietovėse, kur išlaidos kelia didelį susirūpinimą.

Jei tai gali atnešti švaraus geriamojo vandens net nedidelei dalelei šiuo metu neturinčių žmonių, tai bus didelė nauda žmonijai.

Bent vienas paleidimas, Nulinės masės vanduo , jau bando komercializuoti panašų įrenginį, galintį paimti vandenį iš oro, o kiti mokslininkai ir toliau plėtoja savo galimybes, įskaitant Kalifornijos universiteto Berklio ir MIT tyrėjų bendradarbiavimą (žr. Kaip ištraukti vandenį iš oro , net ir sausiausiose pasaulio vietose).

Nuoroda: arxiv.org/abs/1909.05757 : Pagrindinės rasos nuėmimo technologijos ribos

paslėpti