Ein Schema des Designs der Forscher. Renyuan Li
Die meiste Energie, die auf ein Solarpanel trifft, wird verschwendet. Energietechnologieforscher Peng Wang erzählt IE dass weniger als 20 Prozent der Energie, die auf ein Solarpanel trifft, in Strom umgewandelt wird.
Der Rest wird in Wärme umgewandelt, was dazu führen kann, dass das Panel noch weniger effizient wird.
Forscher haben Jahrzehnte damit verbracht, herauszufinden, wie man mehr Strom aus Sonnenkollektoren herauspressen kann, und haben Lösungen entwickelt, wie die Gewinnung von Energie aus mehr Lichtfarben, indem Silizium durch Quantenpunkte ersetzt wird.
Wangs Team an der King Abdullah University in Saudi-Arabien verfolgt einen anderen Ansatz. Sie haben einen Weg gefunden, benutzen die Abwärme.
Ihr System, beschrieben in einem Artikel, der diese Woche in der akademischen Zeitschrift veröffentlicht wurde Zellberichte Physik, nutzt die sonst nicht nutzbare Energie, um Wasser aus der Wüstenluft zu ziehen.
Saudi-Arabien bot Wang tonnenweise Finanzierung – und Inspiration
Wang promovierte 2009 an der University of California Santa Barbara, nur wenige Monate vor der Eröffnung der King Abdullah University of Science and Technology.
Ein NPR Journalist berichtet von der Veranstaltung angerufen die Universität das „Haustierprojekt“ des Königs und beschrieb sie als „eine Institution auf Graduiertenebene, die erforschen wird, wie man Solarenergie nutzbar macht, Wasser entsalzt und Pflanzen genetisch verändert, um in der rauen Wüste zu überleben.“
Die mit 10 Milliarden Dollar dotierte Universität machte große Versprechungen, um Wang anzulocken.
„Das [war] das erste Mal, dass ich [die Worte] ‚unbegrenzte Finanzierung‘ hörte“, sagt er.
Als der Forscher seine neue Heimat kennenlernte, war er beeindruckt von dem, was er in den ländlichen Teilen Saudi-Arabiens sah.
"Wenn man sich von der Stadt wegbewegt und in kleine Dörfer kommt, ist Wasser eine große Herausforderung, weil der einzige Weg, es [zu bekommen], darin besteht, es per Lastwagen zu transportieren."
Die Erkenntnis veranlasste ihn, sein Forschungsprogramm anzupassen und nach netzunabhängigen Wegen zu suchen, um Wasser, Nahrung und Energie zu erzeugen. Er sagt, er wolle sicherstellen, dass diejenigen, die von der zentralisierten Infrastruktur nicht gut versorgt werden, „einen angemessenen Lebensunterhalt haben könnenLeben."
Wasser ist überall, aber Milliarden Durst
Es versteht sich von selbst, dass die grundlegende Ressourcenknappheit ein massives globales Problem ist, aber viele von uns können es leicht übersehen. Die UNsagt mehr als zwei Milliarden Menschen kein Zugriff auf sicher verwaltet Trinkwasser Dienstleistungen. mehr als 2,3 Milliarden Menschen oder 30 Prozent der Weltbevölkerung fehlte ganzjähriger Zugang zu ausreichender Nahrung.
Und doch ist Wasser – in Form von Dampf – immer und überall. 37 Billionen Tonnen davon zirkulieren jedes Jahr durch die Atmosphäre. Das Problem ist die Umwandlung von Wasserdampf in flüssiges Wasser, ein Prozess, der als atmosphärisches Wassersammeln bezeichnet wird, ist im Maßstab schwer zu bewerkstelligen.
Vor weniger als einem Jahr veröffentlichten Forscher von X, einem Forschungslabor der Google-Muttergesellschaft Alphabet, a Papier in Nature argumentiert, dass mit ein wenig technologischem Fortschritt die atmosphärische Wassergewinnung etwa eine Milliarde Menschen mit sauberem Wasser versorgen könnte.
Das von Pengs Team erfundene Gerät könnte zu diesem hochgesteckten Ziel beitragen.
Verabschieden Sie sich von „Abwärme“
Die Erfindung basiert auf einer Art Hydrogel, an dem Pengs Team seit mehreren Jahren arbeitet. Es hat zwei Schlüsselelemente. Erstens gibt es ein hygroskopisches Salz, das sehr gerne Wassermoleküle anzieht.
Wang sagt, wenn Sie eine Prise des Zeugs auf einen Tisch legen, würden Sie bald „eine Wasserlache zurücklassen“, weil das Salz „so stark darin ist, Wasser aus der Luft zu gewinnen, dass es sich darin [aufgelöst] hättedas Wasser, das es geerntet hat."
Das zweite Element ist eine "verbundene Polymerstruktur", die hochporös ist und viel Platz für die Ansammlung von Wassermolekülen im Inneren lässt.
Fügen Sie die beiden Teile zusammen, und sie wirken wie ein selbstgetränkter Schwamm.
„Wasser [Moleküle] gelangen in die Matrix und [kommen in] Kontakt mit den Salzen, und dann wird das Wasser im Inneren des Hydrogels gebildet“, sagt er.
Das ist an und für sich kaum bemerkenswert. Mehrere Materialien – darunter Zeolith, ein Mineral aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff – haben ähnliche wasseranziehende Eigenschaften.
Das Problem ist, dass diese Materialien nicht sehr praktisch sind, wenn es darum geht, das Wasser wieder herauszubekommen. Zeolith muss sehr warm werden – ein Haushaltsofen könnte in der Lage sein, heiß genug zu werden – bevor es die darin eingeschlossenen Wassermoleküle freisetzt.
Wangs Hydrogel ist etwas Besonderes, weil es seine Wassermoleküle bei viel niedrigeren Temperaturen abgibt. Es stellt sich heraus, dass die überschüssige Wärme von der Rückseite eines Solarmoduls, die 50 Grad höher sein kann als die Lufttemperatur, viel Energie fürMache den Trick.
Die Erfindung ist eine Win-Win-Ergänzung zu Sonnenkollektoren
Pengs Erfindung kann auf zwei verschiedene Arten funktionieren. Im Kühlmodus ist das Hydrogel die ganze Zeit der Außenluft ausgesetzt. Während der Nacht sammelt das Material Wassermoleküle. Wenn die Sonne am nächsten Tag das Solarpanel aufheizt, wird dasMoleküle verdampfen und nehmen dabei überschüssige Wärmeenergie mit.
„So senkt der menschliche Körper die Temperatur durch Schwitzen“, sagt Wang. Der Kühlmodus sammelt kein Wasser, kann aber die elektrische Leistung eines Solarpanels um etwa 10 Prozent erhöhen.
Im Pflanzenbaumodus wird das Hydrogel nachts der Luft ausgesetzt und tagsüber abgedichtet. So kann das aus dem Hydrogel austretende Wasser genutzt werden.
"Der verdunstete Dampf [wird] in einer Kammer kondensiert", sagte Wang.
So wie es jetzt aussieht, erzeugt das System nicht viel Wasser, gerade genug, um etwas Spinat anzubauen. Wang sagt, das liegt daran, dass „es der erste Proof of Concept ist.“
"Wir haben noch einen langen Weg vor uns, weil die Leistung des Systems in dem gerade veröffentlichten Papier nicht optimiert wurde ... Hoffentlich kann es sehr bald zu echten Auswirkungen kommen."
Diese Auswirkungen könnten auf Solarparks auftreten, die sich oft an Orten befinden, an denen Wasser eine besonders kostbare Ressource ist. Aber das ist nicht die einzige Möglichkeit, diese Technologie einzusetzen. Menschen, die in Dörfern und kleinen Gemeinden auf der ganzen Welt leben, können davon profitiereneigene Technologien zu haben, die gleichzeitig zwei lebenswichtige Ressourcen gleichzeitig schaffen.
Die Sonne „kann uns viele Dinge geben“
„Man kann sich nicht auf die Wasserproduktion im großen Maßstab verlassen“, sagt Wang, besonders wenn es keine Rohre gibt, um es zu den Menschen zu schicken, die es brauchen. Nicht zuletzt ist der Transport von Wasser auf diese Weise kostspielig.
Er weiß ein oder zwei Dinge darüber, wie man vom Stromnetz lebt. Der Forscher wuchs in den 1970er und 80er Jahren in einem Dorf mit etwa 400 Einwohnern in China auf. Während seine Familie sich nicht allzu viele Sorgen darüber machte, dass ihm das Wasser ausgeht – sie hatten esein Brunnen – Nachbarn, die in der nächsten Provinz jenseits der Grenze lebten, hatten nicht so viel Glück.
Sie sammelten auf traditionellere Weise Wasser aus der Atmosphäre, indem sie im Winter Schnee sammelten und ihn während der trockenen Sommermonate als Wasserquelle unterirdisch lagerten.
Wang sagt, dass seine High-Tech-Lösung für Menschen in den „am wenigsten entwickelten Ländern“ nur dann ein Wendepunkt sein wird, wenn sie es sich leisten können.
Deshalb versucht sein Team, den Bau billig zu machen. Er hofft, dass auch Regierungen und NGOs Unterstützung anbieten können. Aber so wie es jetzt aussieht, ist der Weg nach vorne nicht ganz klar.
„Wir sind Wissenschaftler, also sind wir jetzt gut darin, einen Fahrplan zu erstellen, um dies bis zur Marktreife zu bringen“, sagt er, obwohl das Team einen „starken Drang“ hat, das Projekt voranzutreiben.
"Wenn wir die Sonnenenergie effektiver nutzen können, kann sie uns viele Dinge bringen."