Ultrasonik cihaz, havadan su hasadını dramatik biçimde hızlandırıyor
Bir sistem, atmosferden su hasadı için kullanılan herhangi bir malzemeyle eşleştirildiğinde, suyu saatler yerine dakikalar içinde çıkarabiliyor.
Cambridge, MA – Susamış mısınız? O hâlde neden havayı “kaynak” su hâline getirmeyesiniz? Çöl koşullarında bile — tuzlu suyun arıtılabileceği deniz suyu bile olmayabilir — atmosferde bir miktar nem bulunur ve doğru malzeme ile bu nem emilip arındırılmış içme suyuna dönüştürülebilir. Son yıllarda bilim insanları bu “atmosferik su hasadı” (AWH – atmospheric water harvesting) için sünger benzeri pek çok vaat eden malzeme geliştirdiler.
Ancak bu malzemelerden suyun geri çıkarılması çoğunlukla ısıyı — ve dolayısıyla zamanı — gerektiriyordu. Mevcut tasarımlar genellikle malzemeden suyun buharlaşması için güneş ışığını veya başka bir ısı kaynağını kullanıyor, ardından yoğunlaşması bekleniyor. Bu adım saatler hatta günler sürebiliyor.
Şimdi, MIT mühendisleri atmosferik su hasadı yapan bir malzemeden suyu çok daha hızlı çıkarma yöntemi geliştirdi. Güneşin suyu buharlaştırmasını beklemek yerine, ekip ultrasonik dalgalar kullanarak suyu “sallayıp” malzemeden çıkarıyor.
Araştırmacılar, yüksek frekansta titreşen bir ultrasonik cihaz geliştirdi. Bir “sorbent” (nem emici malzeme) bu cihaz üzerine yerleştirildiğinde, cihaz onu titreştiren ultrasonik dalgalar yayıyor. Ekip, cihazın ısıya dayalı tasarımlara kıyasla dakikalar içinde suyu çıkarabildiğini belirledi — oysa ısıya dayalı sistemlerde ontan dakikalardan saatlere kadar süren süreçler gerekiyor.
Isıya dayalı tasarımların aksine bu cihazın elektriğe ihtiyaç duyduğunu belirtmek gerekir. Araştırmacılar, cihazın küçük bir güneş paneliyle çalışabileceğini ve aynı zamanda sorbentin dolduğunu algılayacak bir sensör olarak da işlev görebileceğini öngörüyorlar. Sistem, malzeme yeterince nem toplamış olduğunda otomatik olarak çalıştırılabilir. Böylece bir sistem, bir gün içinde birden çok döngüyle su emebilir ve ardından çıkarabilir.
“İnsanlar atmosferden su hasadı yöntemleri arıyordu; bu özellikle tuzlu suyu arıtacak deniz suyu bile olmayan çöl bölgeleri ve benzeri yerler için büyük bir su kaynağı olabilir,” diyor MIT Makine Mühendisliği Bölümü’nde baş araştırmacı bilim insanı olan Svetlana Boriskina. “Şimdi suyu hızlı ve verimli biçimde geri kazanabilecek bir yöntemimiz var.”
Boriskina ve meslektaşları bu yeni cihazlarını bir makalede yayımladılar; çalışma, “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction” başlığıyla Nature Communications dergisinde yer aldı.
Kıymetli zaman
Boriskina’nın grubu, çevreyle yeni yollarla etkileşime giren malzemeler geliştiren bir araştırma ekibi. Yakın zamanda bu grup, atmosferik su hasadı konusuna odaklandı ve materyallerin havadan suyu etkin biçimde emebilmeleri üzerinde çalıştı. Amaç: geleneksel içme suyu kaynaklarının — hatta tuzlu suyun bile — bulunmadığı yerlerde AWH sistemlerinin güvenilir şekilde kullanılabilir hâle gelmesi.
Diğer araştırma grupları gibi, Boriskina’nın ekibi de bir AWH sisteminin sahada geceleri nemi emmesi ve gündüz güneş ısısıyla bu nemin buharlaşıp yoğunlaşmasını beklemesi gerektiğini varsayıyordu.
“Herhangi bir malzeme suyu yakalamada çok iyiyse, suyu vermek istemiyor,” diye açıklıyor Boriskina. “Yani malzemeden suyu çekip çıkarmak için çok enerjiye ve kıymetli saatlere ihtiyacınız var.”
Sorbent üzerinden çalışan araştırma ekibe katılan ve giyilebilir medikal cihaz uygulamaları üzerine ultrasonik ile çalışmış olan öğrencisi Ikra Iftekhar Shuvo ile birlikte başka yolları düşündüklerinde, ultrasonik dalgaların atmosferik su hasadında çıkarma aşamasını hızlandırabileceğini fark ettiler.
Su dansı
Ultrason, ya da ultrasonik dalgalar, saniyede 20 binin üzerinde titreşime sahip akustik basınç dalgalarıdır (20 kHz üzeri). Bu yüksek frekanslı dalgalar insan tarafından görülemez veya duyulamaz. Araştırma ekibinin bulgularına göre, ultrason, bir malzemeden suyu çıkaracak doğru frekansta titreşim yaratabiliyor.
Shuvo şöyle diyor: “Ultrasonla, su molekülleri ile oturdukları yer arasında zayıf bağları hassas şekilde kırabiliyoruz. Su, dalgalarla adeta dans ediyor; bu hedeflenmiş titreşim su moleküllerini serbest bırakıyor ve onları damlacıklar hâline görüyoruz.”
Shuvo ve Boriskina bir atmosferik su hasadı malzemesinden su çıkarmak üzere yeni bir ultrasonik aktüatör tasarladı. Cihazın kalbinde, gerilim uygulandığında titreşen düz bir seramik halka var. Bu halka, çok sayıda küçük nozüle sahip dış bir halka ile çevrili. Titreşim halkasından çıkan su damlacıkları nozüllerden düşerek titreşen halkanın üzerindeki veya altındaki toplama haznelerine akıyor.
Ekip, cihazı önceden tasarlanmış bir AWH malzemesi üzerinde test etti. Çeyrek büyüklüğünde malzeme örneklerini farklı nem seviyelerine sahip bir nem odasına yerleştirdiler. Zamanla örnekler nemi emdi ve doygun hâle geldi. Araştırmacılar daha sonra her örneği ultrasonik aktüatör üzerine yerleştirip cihazı çalıştırdı.
Her durumda cihaz, her bir örneği sadece birkaç dakika içinde kurutacak kadar suyu çıkarabildi. Araştırmacılar bu ultrasonik tasarımın ısıya dayalı sistemlere kıyasla aynı malzemeden su çıkarımında 45 kat daha verimli olduğunu hesapladılar.
Uygulama ve gelecek
“Bu cihazın güzelliği, tamamen tamamlayıcı olması ve neredeyse herhangi bir sorbent malzemeye takılabilmesi,” diyor Boriskina. Olası bir ev tipi sistemin pencere büyüklüğünde bir hızlı emici malzeme ve bir ultrasonik aktüatör içerebileceğini öngörüyor. Malzeme doygun olduğunda aktüatör kısa süreliğine güneş paneliyle çalıştırılır, suyu çıkarır, ve malzeme tekrar su toplamak üzere hazır hale gelir. Böylelikle gün içinde birçok döngü gerçekleştirilebilir.
“İşin tamamı, bir günde ne kadar su çıkarabileceğinizle ilgili,” diyor Boriskina. “Ultrasonla suyu hızla çıkarabiliyoruz ve tekrar tekrar döngüye sokabiliriz. Bu gün içinde çok miktarda suya dönüşebilir.”
