Klimaendringer, befolkningsvekst, konflikt og humanitære kriser legger stadig større press på verdens vannressurser. Derfor ser norske forskere på om såkalte atmosfæriske vanngeneratorer kan bli en del av løsningen.
En slik vanngenerator trekker fuktighet ut fra lufta ved hjelp av fuktabsorberende materialer og omdanner den til drikkevann. Men de må bli mer effektive:
– Løsningen fungerer godt når lufta er fuktig, men når luftfuktigheten er under 50 prosent, blir energibruken svært høy. Dette gjør igjen at teknologien er kostbar og dermed utfordrende å ta i bruk i tørre områder, der behovet er størst.
Det forteller SINTEF-forsker Roberto Mennitto, som har ledet arbeidet med å utvikle det nye materialet.
Målet til forskerteamet er at løsningen kan gjøre vannsamilingsmetoden mer aktuell i regioner med lav luftfuktighet. Det gir håp for en tørst verden: WHO og UNICEF anslår at nærmere 2 milliarder mennesker står uten tilgang til trygt drikkevann. Behovet ble understreket under COP30 i Brasil. Der ble vannmangel løftet frem som en av verdens mest kritiske utfordringer.
– Materialet har bittesmå «magneter» som tiltrekker seg vannmolekyler, omtrent som det absorberende materialet som brukes i bleier til spedbarn.
Forsker Roberto Mennitto og det nyinnkjøpte utstyret for avansert vanntesting. Foto: William Husby Hoven/SINTEF
Fant løsningen i et polymermateriale
Forskningsmiljøet i SINTEF har erfaring med å utvikle og analysere det som kalles sorbenter; altså porøse materialer som kan fange, separere eller binde ulike kjemiske stoffer.
I prosjektet, som var et ettårig og SINTEF-finansiert prosjekt, undersøkte Mennitto og kollegene flere sammensetninger av ulike råmaterialer med forskjellige egenskaper.
Gjennom nøye uttesting og sammenligninger kom de frem til et polymerbasert materiale som bestod av to bestanddeler: et mykt elastomer – tilsvarende silikon eller gummi som brukes i mange forbruksprodukter – og et vannabsorberende polymer som ligner det som brukes i bleier.
Resultatet ble altså ett nytt materiale som kan samle store mengder væske samtidig som det er stabilt.
– Materialet har bittesmå «magneter» som tiltrekker seg vannmolekyler, omtrent som materialet som brukes i bleier til spedbarn, forklarer Mennitto.
Når polymeren mettes med vann, varmes den opp. Det gjør at vannet frigjøres og kan samles i en tank, klar til bruk.
Fakta om teknologien:
Vanngeneratorer (AWG) har store bruksområder, fra forsvar og førstehjelp, til hjem og kontorer. De fleste vann-generatorene fungerer ved at lufta kjøles ned til under romtemperatur slik at vann kondenserer, for deretter å samles i en tank. Vannet får drikkevannskvalitet. Prinsippet er det samme som i vanlige avfuktere hjemme og er gjerne referert til som «kjøling og kondensasjon». Markedet for teknologien er for tiden på rundt 2,5 milliarder USD og er forventet å nå over 4 milliarder USD innen 2030.
– Tenk på det som når en bruker en hårføner på vått hår. Den varme luften trekker vannet ut av polymeren og danner en luftstrøm som er overmettet av vann. Når denne luften sendes inn i tanken, omdannes vannet til dråper og kondenserer i tanken, forklarer forskeren.
Kan også framstilles av biomasse
Polymermaterialet er fleksibelt og kan formes på mange måter, som et laminat eller et belegg på overflater. Det kan også 3D-printes. Det gir større muligheter for å optimalisere designet, noe som igjen kan redusere energien som trengs for å drive generatoren.
Materialet er dessuten basert på rimelige og lett tilgjengelige råmaterialer, og kan også potensielt være laget av biomasse, ifølge forskeren.
Ulike materialer for vanninnhøsting: Øverst til venstre er den første polymeren som ble testet, nederst til venstre er 3D-printede og laminerte polymerer for vanninnhøsting.Til høyre ligger kuler fra referansematerialet silica gel. Foto: SINTEF
– Vi så at denne polymeren både hadde god ytelse og samtidig som kostnaden for å fremstille den er lav. Dette klarte vi gjennom å bruke rimelige råmaterialer og en produksjonsprosess med få trinn og uten bruk av dyre eller giftige løsemidler eller kjemikalier, forteller Mennitto.
Det nye materialet er også sterkt. Det tåler flere sykluser med vanninnhøsting uten at det taper egenskaper eller evne til å ta opp vann.
– Lignende materialer har ofte vist seg å raskt brytes ned ved vannproduksjon. Ved testing viste vårt materiale ingen nedbrytning etter 120 timer med stabil drift, forteller Mennitto.
Vil gi verden rent vann: Forskerteamet Leesa Jane Klau, Maurice Dörr og Roberto Mennitto. Foto: SINTEF
Vil gjøre løsningen billigere
Foreløpig vil kostandene for vanninnhøsting med det nye materialet være på linje med vanngeneratorer som allerede finnes på markedet. Derfor jobber forskerne med å få ned kostnadene ned med 25 prosent.
Dette vil de gjøre ved å forbedre egenskapene og skalere opp produksjonen fra gram til kilogram.
– Vi må få opp produksjonen i så stor skala at den blir rimelig å produsere, og at vi får utviklet en standardisert prosess som er enkelt å vedlikeholde og krever så lite menneskelig tilsyn som mulig, sier Mennitto.
Målet er å gjøre vanninnhøsting så billig som mulig.
– Hvis vi ser for oss kostnaden for flaskevann i tørre og spredt befolkede områder – eller enda verre, steder der vannforsyningen er brutt – blir vanngeneratorer et veldig godt og trygt alternativ. Derfor er det viktig at slike generatorer kan levere vann under mange ulike atmosfæriske forhold, sier Mennitto.
Et kjent eksempel på fuktabsorberende materialer er silica gel, det vil si de små posene du ofte finner i skoesker eller klær. Foto: Shutterstock/yamatmeung
Figuren viser hvor mye vann materialet kan absorbere (altså gram vann per gram materiale) når det utsettes for en gitt luftfuktighet (x-aksen). Jo høyere luftfuktighet, desto større vannopptak. Den heltrukket svarte linjen viser at polymeret tar opp mer vann sammenlignet med referansematerialet silica gel. Kilde: SINTEF
Interesse fra start-ups
Nå ser forskerne etter nye finansieringskilder for å å videreutvikle løsningen. De skal også bygge en prototype for å optimalisere og teste materialets kapasitet.
Så langt har forskerne mottatt gode tilbakemeldinger og interesse fra flere start-ups og sponsorer som kan være aktuelle for å ta i bruk teknologien.
– Å skalere opp et nytt materiale og utvikle en ny prosess for vanninnhøsting er noe som må løses gjennom et samarbeid med ulike typer ekspertiser. Vi er avhengige av å få satt sammen et team av kjemikere og ingeniører for å kunne få ut teknologien i markedet, avslutter Mennitto.
Roberto Mennitto i en paneldebatt på the International Atmospheric Water Harvesting Summit ved Arizona State University, hvor forskeren presenterte de nyeste forskningsresultatene fra prosjektet. Foto: Jocelyne Moore /Arizona State University
Referanser:
