Novi pristopi h kontinuirnemu pridobivanju atmosferske vode s hidrogeli na osnovi izmenjave sevalne energije z vesoljem in koriščenja odpadne toplote

Dostop do čiste vode je svetovni izziv, saj bosta do leta 2025 skoraj 2 milijardi ljudi živeli na območjih z absolutnim pomanjkanjem vode. Atmosfersko pridobivanje vode (AWH) je obetavna rešitev za preprečevanje pomanjkanja vode. Atmosfera vsebuje 12,9 teraton vode, kar je šestkrat več od celotne količine svetovnih rek. AWH se nanaša na raznolik nabor tehnologij za zajemanje in zbiranje vode iz atmosfere kjerkoli in kadarkoli, ena izmed njih je AWH na osnovi sorpcijskih materialov (SAWH). Sorpcijski materiali so higroskopski porozni materiali, ki adsorbirajo (proces adsorpcije) vodo iz ozračja zaradi razlike koncentracij vode po Fickovem zakonu. Povišana temperatura hidriranega sorpcijskega materiala sproži proces sproščanja vodne pare (proces desorpcije), pri čemer se v zaprti komori ta utekočini in pridobi sveža tekoča voda. Leta 2017 je prvi dokaz koncepta, objavljen v reviji Science, demonstriral pridobivanje vode iz zraka v sušnih zunanjih razmerah z uporabo kovinsko-organskih mikroporoznih materialov. Do danes so bile uvedene številne preproste laboratorijske naprave za SAWH, ki so predvsem prikazovale preprosto operativno strategijo z adsorpcijo vlage iz okolja ponoči in sproščanjem vode podnevi z uporabo sončne energije. Ta enociklična strategija ima omejitve glede energijske in masne učinkovitosti zaradi prenizke izrabe sorpcijskih materialov v 24 urah. Rešitev tega izziva je uvedba neprekinjeno delujočih naprav SAWH, ki delujejo na šaržni ali resnično neprekinjeni način. Trenutni prototipi z neprekinjenim delovanjem in z direktno izrabo toplote sonca z več dnevnimi adsorpcijsko-desorpcijskimi cikli kažejo na veliko ozko grlo, ki je povezano z lastnostmi sorpcijskih materialov in velikimi fluktuacijami celodnevne temperature okolja, relativne vlažnosti in razpoložljive sončne energije. Naslednji logični korak je odpraviti te pomanjkljivosti s sinergijskim razvojem sorpcijskih materialov in naprav oziroma sistemov. Primarni cilj predlaganega raziskovalnega projekta je razviti neprekinjeno delujočo napravo AWH na osnovi sorpcijskih materialov, ki je visoko zmogljiva in energetsko učinkovita. Namen tega projekta je narediti preboj na tem področju z naprednim pristopom toplotnega inženiringa, ki izkorišča obnovljive in trajnostne vire energije, vključno s toplotno energijo sonca, sevalno izmenjavo toplote z vesoljem in uporabo odpadne toplote. Ta pristop bo kombiniran z uporabo naprednih poroznih hidrogelov, ki vsebujejo higroskopsko sol in spektralno selektivne fototermalne delce. Predlagani projekt namerava zgraditi močan okvir za napredno arhitekturo neprekinjeno delujočih naprav SAWH s petimi pomembnimi znanstvenimi točkami: 1. Predstavitev resnično samodejnega in neprekinjeno delujočega SAWH, 2. Strategija za sinergijsko sooblikovanje na ravni naprave in materiala za odpravo trenutnih pomanjkljivosti sorpcijskih materialov, 3. Hibridni način desorpcije na osnovi sončne energije in odpadne toplote za 24-urno neprekinjeno oskrbo z vodo, 4. Izboljšan prenos toplote in snovi na podlagi sevalne izmenjava toplote z nebom za povečano stopnjo adsorpcije in kondenzacije, 5. Vidik razširljivosti: izgradnja visoko kompaktnega generatorja atmosferske vode z izvedljivimi predlogi za razširitev. Raziskave in razvoj takšne naprave bodo temeljile na združenih teoretičnih in eksperimentalnih raziskavah v notranjih in zunanjih pogojih. Glede na trenutno raziskovalno žarišče na področju SAWH se bodo rezultati novih raziskav diseminirali preko znanstvenih člankov. V želji po predstavitvi SAWH področja širši javnosti, vključno z dodiplomskimi in podiplomskimi študenti, bodo rezultati ustrezno razširjani prek medijev, različnih deležnikov, oblikovalcev politik, predavanj, ter poletnih šol za mladino. V svetovnem merilu namerava ta predlagani raziskovalni projekt spodbujati obnovljive in trajnostne vire energije in proizvodnjo sladke vode, s čimer bi še odločneje tlakoval pot zelenemu prehodu.