Ingenieurs van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een relatief simpele techniek ontworpen waarmee water in letterlijke zin losgeschud kan worden uit verzadigde absorptiematerialen, zoals hydrogels en zeolieten. Volgens de onderzoekers kan deze uitvinding de weg vrijmaken naar economisch haalbare opschaling van atmosferische waterwinning, oftewel het uit de lucht halen van water waar en wanneer dit een schaars goed is.
Het uit de lucht oogsten van water is een (minstens) eeuwenoud gebruik, maar ons vermogen om dit grootschalig te doen beperkte zich tot relatief kortgeleden voornamelijk tot vochtige lucht, zoals mist. Het grootste deel van het in de atmosfeer aanwezige water is echter zelden beschikbaar als mist, aangezien dit alleen ontstaat wanneer de relatieve luchtvochtigheid de 100 procent nadert.
Met het oog op de wereldwijd toenemende waterschaarste is er, vanuit wetenschappelijk en commercieel oogpunt, toenemende aandacht voor atmosferische waterwinning uit drogere luchten, waaronder in de regel verstaan wordt een luchtvochtigheid van minder dan circa 30 procent.
Water uit woestijnlucht
Wetenschappelijk onderzoek heeft allerhande absorptiematerialen opgeleverd die hier goed toe in staat blijken, zoals hydrogels, zeolieten, metal-organic frameworks en hygroscopische zouten, en op beperkte schaal is het gelukt om water te oogsten op locaties met zeer lage luchtvochtigheid, zoals de Atacama-woestijn in Chili, welke beschouwd wordt als de droogste plek op aarde. Her en der vindt atmosferische waterwinning op dergelijke plekken ook al wel plaats op pilotschaal, zoals op een bedoeïenenschool in de Israëlische Negev-woestijn.
Kleinschalige, commerciële water harvesters vormen tot dusver een beperkte markt, variërend van koffiemachines die hun waterreservoirtje zelf bijvullen door water uit de lucht te halen, tot mobiele \'harvesting-stations\' van formaat, eventueel op wieltjes, al dan niet gecombineerd met nageschakelde zuiveringstechnieken, en voor wie zijn air-harvested water liever uit blik drinkt is dat er ook. Ook op eigen bodem wordt aan de weg getimmerd, bijvoorbeeld door uitvinder Ap Verheggen, wiens SunGlacier op uitnodiging van Defensie in 2017 getest werd tijdens een missie in Mali.
Simpel apparaatje
Op een enkel zeldzaam voorbeeld na, hebben de bestaande technieken veel energie (warmte) en tijd (in de orde van uren of dagen) nodig om het geoogste water via verdamping en condensatie vrij te maken uit het gebruikte absorptiemateriaal. Deze twee factoren hebben opschaling naar economisch levensvatbare toepassingen tot dusver in de weg gestaan. ‘Het zal een niche-ding worden, als het al iets wordt\', was in september de inschatting van Christopher Gasson, econoom en uitgever van Global Water Intelligence, een journalistiek platform dat ook technische en economische data van en voor de wereldwijde watersector analyseert en inzichtelijk maakt.
Omdat het extraheren van water uit absorptiemiddelen verdere opschaling verhinderde, zochten de onderzoekers van MIT naar manieren om deze hindernis te nemen. Ze redeneerden dat hoogfrequente ultrasone trillingen precies genoeg energie zouden moeten leveren om de bindingen tussen watermoleculen en gangbare absorptiematerialen te verbreken. Op basis van dit idee ontwierpen de ingenieurs een relatief simpel apparaatje (afgebeeld op bovenstaande foto), waarin een met water verzadigd absorptiemateriaal gelegd wordt op een platte keramische ring die ultrasone trillingen genereert zodra er spanning op staat.
Waterdruppels die hierdoor inderdaad uit het absorptiemateriaal bleken te worden getrild, vingen de onderzoekers, zoals op dit filmpje van CNN te zien is, op in een opvangbakje onder de trillende ring. Eenmaal geregenereerd is het droge absorptiemateriaal weer klaar voor een volgende cyclus van absorptie en desorptie. Waar deze extractie met bestaande regeneratiemethoden uren of dagen zou hebben gekost, bleek de ultrasone techniek hetzelfde in slechts enkele minuten te kunnen.
Goedkoper dan flessenwater?
Behalve deze tijdswinst, die betekent dat de totale dagelijkse wateropbrengst sterk zou kunnen gaan toenemen, is de methode ook in energieverbruik zo’n 45 keer efficiënter dan de tot dusver best behaalde energie-efficiëntie, van (foto)thermische desorptie met zonlicht. Volgens de onderzoekers betekent dit dat grootschaliger atmosferische waterwinning hiermee economisch binnen bereik komt. Met de nieuwe extractiemethode zou het gewonnen water (in het gehanteerde rekenvoorbeeld weliswaar bij een relatief hoge luchtvochtigheid van 75 procent) 0,19 dollar per liter kosten, ‘wat lager is dan de kosten van flessenwater in verschillende landen wereldwijd, waaronder de VS, het VK, Canada en Australië’.
Hoewel de ultrasone techniek in onderhavig onderzoek enkel met hydrogel-absorptiemiddelen gedemonstreerd is, is het ‘compatibel met vrijwel elk absorptiemateriaal’, aldus hoofdonderzoeker Svetlana Boriskina in een nieuwsbericht van MIT. Wel benadrukken de onderzoekers dat nog nader onderzocht moet worden hoe stabiel verschillende absorptiematerialen zijn onder invloed van ultrasone golven, al wordt daar ook de kanttekening bij geplaatst dat bestaande (foto)thermische extractiemethoden evengoed enige degradatie van absorptiematerialen veroorzaken.
Zelfsturend off-grid systeem
Een potentiële toepassing ziet Boriskina in een door zonne-energie aangedreven paneelsysteem voor huishoudens, met een waterabsorberend materiaal en ultrasone actuator ‘met elk het formaat van een raam’, dat zichzelf automatisch regenereert zodra het detecteert dat het absorptiemateriaal verzadigd is.
