Naukowcy z Uniwersytetu Nauki i Techniki Króla Abdullaha (KAUST) w Arabii Saudyjskiej postanowili rozwiązać dwa problemy za jednym zamachem. Zaprojektowali wydajne panele fotowoltaiczne, czyli odnawialne źródło energii (OZE). Ta sama instalacja wytwarza czystą wodę, którą można wykorzystać np. do podlewania upraw.
Zmiany klimatyczne i zanieczyszczenie środowiska coraz bardziej ograniczają zasoby czystej wody. Już teraz 3,6 mld ludzi na świecie ma trudności z dostępem do wody pitnej przynajmniej przez miesiąc w roku. W połowie stulecia będzie to już 5 mld.
Nawet w suchym, pustynnym powietrzu jest woda, którą można wykorzystać
Para wodna to jeden ze składników powietrza. Gdy temperatura spadnie poniżej pewnej wartości (zwanej punktem rosy), para ulega kondensacji i powstają krople wody. Atmosferycznej wilgoci jest dużo nawet w pustynnych warunkach.
Niestety, zbieranie jej z powietrza możliwe jest tylko nocą, gdy temperatura odpowiednio spadnie, czyli w praktyce raz na dobę. Technologia ta przypomina farmy wilgoci z „Gwiezdnych wojen” czy oddzielacze wiatru z „Diuny”.
Zbieranie wilgoci nocą to jednak mało wydajny sposób. Aby zbierać wodę w ciągu dnia, trzeba zużyć energię. Jest potrzebna do schłodzenia powierzchni, na której zbierać się mogą krople rosy. Saudyjscy naukowcy postanowili wykorzystać ten pomysł, projektując panele fotowoltaiczne nowej generacji.
Nowe ogniwa fotowoltaiczne są chłodzone hydrożelem i przy okazji produkują wodę
Panele fotowoltaiczne zostały umieszczone na podstawie wypełnionej hydrożelem. Substancja ta pochłania parę wodną z powietrza. Następnie wykorzystuje energię cieplną, emitowaną przez panele, do skroplenia wody. Hydrożel chłodzi w ten sposób panele, zwiększając ich wydajność o 9 proc. Od dawna wiadomo bowiem, że im wyższa jest temperatura, tym mniej wydajnie pracują instalacje fotowoltaiczne.
– To połączenie odnawialnego źródła energii i źródła czystej wody to dobre rozwiązanie np. dla małych farm w suchych rejonach – podkreśla prof. Peng Wang z KAUST, główny autor badań. Pracę jego zespołu opublikowało czasopismo naukowe „Cell Reports Physical Science”.
W instalacji testowej nazwanej WEC2P wodę wykorzystywano do podlewania sadzonek szpinaku w niewielkiej szklarni. Przez dwa tygodnie testu panele wyprodukowały łącznie 1519 watogodzin energii i dwa litry wody.
Uczeni przyznają, że wydajność produkcji wody jest jeszcze dość niska. Obecnie pracują nad nowym hydrożelem, który ma skuteczniej pochłaniać i skraplać parę wodną. – Mamy nadzieję, że w przyszłości nasz system zapewni energię dla domów i wodę dla przydomowych upraw – mówi prof. Wang.
Wodę można uzyskać także dzięki powłokom chłodzącym
Wcześniejsze badania wykazały, że wodę można też zbierać w inny sposób. W 2021 r. inżynierowie z Politechniki Federalnej w Zurychu (ETH) opracowali specjalną powłokę. Odbija ona promieniowanie słoneczne i wypromieniowuje ciepło w kosmos.
Taka powłoka może osiągnąć temperaturę nawet o 15 stopni niższą, niż temperatura otoczenia. A to sprawia, że para wodna może się skraplać nawet w gorący dzień. Szwajcarska technologia nie wymaga żadnego zasilania. Metr kwadratowy powierzchni pokrytej nową powłoką może zebrać 1,2 litra wody w ciągu doby.
Urządzenie ma jeszcze jedną zaletę. Druga strona szyby, którą pokryto chłodzącą powłoką, pokryta została powłoką superhydrofobową, czyli silnie odpychającą wodę. Nie trzeba więc z niej wody zbierać, co wymagałoby zużycia energii. Krople same spadają do pojemnika.
– W porównaniu do innych urządzeń, nasze działa bez zasilania, co jest jego kluczową zaletą – mówi Iwan Hächler, doktorant termodynamiki na ETH. Obecnie trwają dalsze prace nad ulepszaniem tej technologii.
