Güneş Enerjisiyle Su Eldesine Doğru Bir Adım Daha…

25 Ekim 2020 Dergi:

MIT mühendisleri, kuru havadaki nemi ayrıştırarak su elde eden ilk tasarımlarını geliştirerek daha pratik, verimli ve ölçeklenebilir hale getirdi.
MIT ve farklı kurumlardan araştırmacılar, güneşten veya diğer bir kaynaktan alınan ısıyı kullanarak kuru bölgelerde bile doğrudan havadan içilebilir suyu ayırabilen bir sistemi önemli ölçüde kullanılabilir hale getirdi.
Üç yıl önce aynı ekibin üyeleri tarafından MIT'de geliştirilen bir tasarıma dayanan sistem, suya ve elektriğe sınırlı erişimi olan uzak bölgeler için pratik bir su kaynağı haline gelebilecek bir çözüm olabilir. Bulgular Joule dergisinde, MIT Makine Mühendisliği Bölüm Başkanı Profesör Evelyn Wang, MIT'de yüksek lisans öğrencisi Alina LaPotin ile Kore ve Utah'tan altı araştırmacı tarafından yazılan bir makalede anlatılıyor.
Wang ve meslektaşları tarafından geliştirilen önceki cihaz, yüzeyinde sıvı toplayan adsorban bir malzemenin geceleri havadan nemi çekebilmesi için cihaz içindeki sıcaklık farkını kullanan bir sistemdi. Materyal güneş ışığı ile ısıtıldığında, ısıtılmış üst ve gölgeli alt taraf arasındaki sıcaklık farkı, suyun adsorban materyalden geri salınmasına neden olur. Su daha sonra bir toplama plakasında yoğunlaşır.
Ancak bu cihaz, pahalı ve tedarik açısından sınırlı olan metal organik bileşenler veya MOF'ler adı verilen özel malzemelerin kullanımını gerektiriyordu ve sistemin su çıkışı, pratik bir sistem için yeterli değildi. Araştırmacılar, şimdi, ikinci bir desorpsiyon ve yoğunlaştırma aşaması ekleyerek ve hazır bir adsorban malzeme kullanarak, cihazın çıktısının önemli ölçüde arttığını ve potansiyel olarak yaygın bir ürün olarak ölçeklenebilirliğinin, büyük ölçüde geliştirildiğini söylüyor.
Wang ve ekibinin "Küçük bir prototipe sahip olmak harika, ancak onu daha ölçeklenebilir bir forma nasıl sokabiliriz?" sorusunu yanıt arayan araştırmasında tasarım ve malzemelerdeki yeni gelişmeler bu yönde ilerlemeye yol açtı.
MOF'lerin yerine, yeni tasarımda, mikro gözenekli demir alüminofosfattan oluşan zeolit adı verilen adsorban bir malzeme kullanılıyor. Materyal yaygın olarak bulunur, stabildir ve sadece tipik gündüz-gece sıcaklık dalgalanmalarına ve güneş ışığı ile ısıtmaya dayanan verimli bir su üretim sistemi sağlamak için doğru adsorban özelliklerine sahiptir.
LaPotin tarafından geliştirilen iki aşamalı tasarımda, su faz değiştirdiğinde üretilen ısıyı akıllıca kullanır. Güneşin ısısı, bir kutu benzeri sistemin tepesinde, bir güneş soğurucu plaka tarafından toplanır ve zeolitin ısınmasını sağlayarak, malzemenin gece boyunca yakaladığı nemi serbest bırakır. Bu buhar bir toplayıcı plaka üzerinde yoğunlaşır - aynı zamanda ısıyı da serbest bırakan bir süreçtir. Toplayıcı plaka, doğrudan üzerinde bulunan ve ikinci zeolit katmanla temas halindeki bir bakır levhadır; burada yoğunlaşma ısısı, bu sonraki katmandan buharı serbest bırakmak için kullanılır. İki katmanın her birinden toplanan su damlacıkları birlikte bir toplama tankına aktarılabilir.

Süreçte, güneş enerjisi toplama alanının (LMD) metrekaresi başına düşen potansiyel litre miktarı açısından sistemin genel üretkenliği, önceki versiyona kıyasla yaklaşık iki katına çıkar, ancak kesin oranlar yerel sıcaklık değişimlerine, güneş akısına ve nem seviyesine bağlıdır. Wang, yeni sistemin ilk prototipinde, pandemik kısıtlamalardan önce MIT'de bir çatıda test edildiğinde, cihaz önceki versiyondan daha fazla su ürettiğini söylüyor.
Benzer iki aşamalı sistemler tuzdan arındırma gibi diğer uygulamalar için kullanılırken, Wang, bu tür teknolojiler bilindiği için atmosferik su hasadı (AWH) için böyle bir sistemi kullanmanın aynı amaca yönelik olmadığını söylüyor.
Mevcut AWH yaklaşımları arasında sis hasadı ve çiy hasadı bulunuyor, ancak her ikisinin de önemli sınırlamaları var. Sis hasadı yalnızca yüzde 100 bağıl nemle çalışır ve şu anda yalnızca birkaç kıyı çölünde kullanılırken, çiy hasadı, nemin yoğunlaşması için soğuk yüzeyler sağlarken enerji yoğun soğutma gerektirir - ve ortam sıcaklığında yine de bağıl olarak en az yüzde 50 nem gerektirir.
Buna karşılık, yeni sistem yüzde 20 gibi düşük nem seviyelerinde çalışabilir ve güneş ışığı veya diğer herhangi bir düşük dereceli ısı kaynağı dışında hiçbir enerji girişi gerektirmez.
LaPotin, anahtarın bu iki aşamalı bir tasarım olduğunu söylüyor ve “artık etkinliği kanıtlandığından, bilimciler üretim oranlarını daha da artırabilecek daha iyi emici malzemeler araştırabilir. Günde metrekare başına yaklaşık 0,8 litre su olan mevcut üretim oranı bazı uygulamalar için yeterli olabilir, ancak bu oran daha fazla ince ayar ve malzeme seçimleriyle iyileştirilebilirse, büyük ölçekte uygulanabilir hale gelebilir” diyor. Wang'a göre, zeolitten yaklaşık beş kat daha fazla adsorpsiyon gücüne sahip olan ve su eldesinde buna karşılık gelen bir artışı sağlayabilecek malzemeler geliştiriliyor.
Ekip, cihazın malzemelerini ve tasarımını iyileştirme ve askeri saha operasyonları için taşınabilir bir sürüme uyarlama çalışmalarına devam ediyor. İki aşamalı sistem, aynı zamanda, günde birden çok termal döngü kullanan, güneş ışığından ziyade farklı bir ısı kaynağıyla beslenen ve böylece daha yüksek günlük çıktılar üreten diğer su toplama yaklaşımlarına da uyarlanabilir.
Austin'deki Texas Üniversitesi'nde malzeme bilimi ve makine mühendisliği profesörü olan ve bu çalışmayla ilişkisi olmayan Guihua Yu, “Bu gerçekten ilginç ve teknolojik olarak önemli bir çalışma. Daha yüksek su üretimi verimi elde etmek için iki aşamalı bir AWH cihazı tasarlamak için güçlü bir mühendislik yaklaşımını gösteriyor ve pratik güneş enerjili su üretimine bir adım daha yaklaştırıyor" diyor.
https://www.youtube.com/watch?v=hoXj-j0VSTA&feature=emb_logo