Havadan pasif olarak su çekebilen yeni malzeme geliştirildi
(blog.seas.upenn.edu)- Pennsylvania Üniversitesi araştırma ekibi, harici enerji olmadan havadaki suyu pasif biçimde çekebilen yeni bir malzeme sınıfı keşfetti
- Bu malzeme, hidrofilik nanogözenekler ile hidrofobik polimerlerin benzersiz biçimde birleştiği bir yapıya sahip; gözenekler içinde havadaki nemi yakalayıp yüzeye bırakabiliyor
- Kapiler yoğuşma olgusunu etkili biçimde kullanarak düşük nemde de çalışıyor; mevcut malzemelere kıyasla suyun gözenek içinde kalmayıp yüzeye kadar taşınması öne çıkan özelliği
- Üretim yöntemi nispeten basit ve ticari olarak ölçeklenebilir bir süreçle uygulanabildiği için, kurak bölgelerde su hasadı cihazları veya elektroniklerin soğutulması gibi alanlarda kullanım potansiyeli yüksek
- Gelecekte hidrofiliklik ve hidrofobiklik oranının optimize edilmesi ile gerçek uygulamalar için ölçek büyütme araştırmaları yürütülecek
Nanoyapılı malzemede yeni bir yaklaşım keşfedildi
Pennsylvania Üniversitesi'ndeki kimya mühendisliği araştırmacıları, deneyler sırasında yapılan tesadüfi bir gözlem sayesinde harici enerji olmadan havadaki su buharını yakalayıp yüzeyde damlacıklar halinde bırakan yeni tür bir nanoyapılı malzeme keşfetti.
Araştırma farklı alanlardan uzmanların iş birliğiyle yürütüldü ve söz konusu malzemenin kurak bölgelerde su hasadı ya da elektronik cihazların soğutulması gibi çeşitli uygulamalarda yeni imkanlar açabileceği düşünülüyor.
Keşif süreciyle mekanizmanın açıklanması
- Araştırmanın başında, yüzeyde oluşan su damlacıklarının deney ekipmanındaki sıcaklık farkları gibi dış etkenlerden kaynaklandığı tahmin edildi; ancak malzemenin kalınlığı arttıkça yüzeyde oluşan su miktarının da birlikte arttığı görüldü
- Böylece geleneksel nanogözenekli malzemelerden farklı olarak, zarın içinde yoğuşan suyun yüzeye taşınıp damlacık olarak ortaya çıktığı özellik ortaya kondu
Nanogözeneklerin çalışma şekli
- Geleneksel su hasadı, düşük sıcaklık veya yüksek nem gerektirir ya da yüzeyin soğutulması için harici enerji girdisi ister
- Buna karşılık bu yeni malzeme, kapiler yoğuşma sayesinde düşük nemde bile nanogözeneklerin içinde su buharını yoğunlaştırabiliyor
- Dahası, yoğunlaşan nem gözeneklerde hapsolmadan yüzeye taşınıp su damlacıkları olarak salınıyor
- Damlacıkların eğriliği ve boyutuna kıyasla buharlaşma hızının son derece düşük olması, uzun süre kararlı biçimde yüzeyde kalabilmeleri bakımından mevcut teorilerin ötesine geçen bir olgu olarak dikkat çekiyor
Temel ilkelerin doğrulanması ve özgün özellikler
- Zar kalınlığı ile yüzeydeki su damlacığı miktarı arasındaki ilişki doğrulanarak, gözlenen olgunun yüzey yoğuşmasından değil gözenek içindeki depolanmış sudan kaynaklandığı kanıtlandı
- Dışarıdan iş birliği yapan araştırmacılar da aynı olguyu yeniden üretirken bu özel nanoyapılı malzemenin potansiyeline dikkat çekti
Dengeli malzeme bileşimi ve uygulama perspektifi
- Hidrofilik nanoparçacıklar ile hidrofobik polietilenin doğru karışım oranı çok önemli bir rol oynuyor
- Gözenek içindeki gizli depo ile yüzeydeki su damlacıkları birbirine bağlı olduğundan, havadaki nemin sürekli yakalanmasını sağlayan bir (yenilenebilir geri besleme döngüsü) oluşuyor
- Bu malzeme, yaygın polimerler ve nanoparçacıklar kullanıldığı için büyük ölçekte üretime de elverişli
- Kurak bölgelerde su hasadı, elektronik cihazlar ve binalar için soğutma yüzeyleri, neme göre tepki veren kaplamalar gibi çok çeşitli endüstriyel uygulama imkanları bulunuyor
Gelecek araştırma yönü ve beklenen etki
- Çalışma mekanizmasının ayrıntılarının netleştirilmesi, hidrofilik/hidrofobik oranının optimize edilmesi, büyük ölçekli gerçek kullanım uygulamaları ve toplanan su damlacıklarının yüzeyden ayrılması gibi konularda hâlâ ek araştırma gerekiyor
- Araştırma ekibi, biyolojik sistemlerde suyun verimli yönetilme biçimlerini referans alarak malzeme tasarımına yansıtıyor
- Uzun vadede bunun kurak bölgeler için temiz su temini ya da yalnızca suyun buharlaşmasıyla çalışan çevre dostu soğutma teknolojileri geliştirilmesine uzanması bekleniyor
Araştırma desteği
- Bu araştırma, ABD Ulusal Bilim Vakfı (NSF), Enerji Bakanlığı ve Alfred P. Sloan Vakfı gibi çeşitli kurumların desteğiyle yürütüldü
1 yorum
Hacker News görüşü
Harici enerji olmadan havadaki suyu çekip toplayabildiği ve yüzeye bırakabildiği söylenen yeni nanoyapılı malzeme, bana bir tür yüksek teknoloji nem alıcı torba gibi geliyor. Wisesorb Moisture Eliminator gibi, içinde kalsiyum klorür bulunan torbalar doymamış havadan nem çekip su damlacıkları oluşturuyor, ancak kullanımdan sonra yenisini almak ya da kaynatıp eski haline getirmek gerekiyor. Bu yeni malzemede ise damlacıklar malzemeye yapışıyor ve onları uzaklaştırmak için enerji gerekiyor. Sihir gibi, su kendiliğinden kabın altına damlamıyor. Damlacıkları kâğıt havluyla silebilirsiniz ama havludan suyu geri çıkarmak için yine enerji gerekir. Ayrıca, "fizik yasalarına meydan okuyor" ifadesi doğru değil; üniversitelerin PR ekipleriyle teknoloji gazetecilerinin, fizik yasalarının ihlal edildiğini düşündüklerinde yazarlarla ve bağımsız uzmanlarla iki-üç kez doğrulama yapmayı öğrenmesi gerektiğini düşünüyorum. Yanıltıcı cümleler ve başlıkların tamamı üniversitenin tanıtım metninden geliyor
Bu devam eden bir araştırma ve bu malzeme, Thirsty Hippos gibi tek kullanımlık nem alıcı torbalardan biraz farklı bir potansiyel gösteriyor. Doğru olan kısımlar şunlar: (1) fizik yasalarını çiğnemiyor ve (2) damlacıkları uzaklaştırmak için hâlâ enerji gerekiyor. Yine de eğer damlacıklar yüzeye taşınıyorsa, onları salmak için gereken enerji, Peltier elemanı gibi mevcut aktif nem alma yöntemlerinden çok daha az olabilir. Bu arada Thirsty Hippo, küçük alanlarda oldukça etkili olan süper bir silika jeldir
Açıklama için teşekkürler. İlk başlığı okuduğumda, birinin sürekli devinim makinesi bulduğunu sandığını düşündüm
Benim katkıda bulunduğum yayınlarda, üniversite PR materyali aldığımızda onlarla doğrudan iletişim kurardık
Fizik yasalarını çiğnemek kesinlikle imkânsızdır. Eğer bir yasa yanlış görünüyorsa, onu yanlış anlamışız demektir. Aynı şekilde, bir yasaya “meydan okumak” da mümkün değildir; evren yalnızca izin verdiği şeyleri yapabilir
Makalenin aslında şöyle deniyor: "Tüm ölçümler 20°±0.2°C sıcaklıkta hava sirkülasyon sistemiyle korundu ve gerektiğinde film sıcaklığı ısıtma/soğutma ünitesiyle kontrol edildi." Yani gizli ısı bir soğutma cihazına aktarılıyor; bunu açıkça belirtmemeleri, daha dramatik görünmeye çalıştıkları hissini veriyor
Makaledeki dikkat çekici başka bir bölüm: "NP boyutu 22nm'nin altında, bağıl nem yaklaşık %90'ın üzerinde ve ϕPE 0.05~0.35 olduğunda makroskopik damlacıklar izotermal olarak oluşur". "Optik mikroskopta (yaklaşık 1μm boyutunda) görülen ilk damlacıklar, %97 bağıl neme maruz bırakıldıktan birkaç saniye sonra ortaya çıkar." Yani hava gerçekten çiy oluşumunun hemen eşiğinde kadar nemli. İnsanlar "fizik ihlali" kısmına fazla odaklanıyor, ama aslında bu doğal bir olguda kademeli bir iyileştirme
Sıcaklığı termostatla sabit tutmakta sorun yok. Yüzeyi havadan daha soğuk, yani çiy noktasının altında tuttularsa bu açıklayıcı olurdu, ama makaleden öyle görünmüyor. Temelde doymamış su buharından makroskopik damlacıkların kendiliğinden oluştuğunu iddia ediyorlar ki bu, termodinamiğin ikinci yasasının izin vermediği bir durumdur
Açıklamayı duyunca anlamlı geldi. Fizik ihlali gibi sunmak yerine, gerçekte neyi iyileştirdiğine odaklanmalarını isterdim. Bence bu malzeme daha yüksek sıcaklıklarda da çalışabilir ve ortam sıcaklığı düşükse gizli ısı pasif olarak atılabilir. Aktif bir ısı pompası kullanılsa bile, yüksek sıcaklıkta daha verimli bir süreç mümkün olabilir. Kapalı bir sistemde sonunda denge oluşur, ama sistemin tamamen kapalı olması da gerekmiyor
Bu araştırma, mevcut adsorpsiyon teknolojilerinden farklı olarak mekanizma değişmeden havadan sürekli su çekebiliyor olmasıyla dikkat çekiyor. Belki bu malzeme gizli ısıyı aktarabilmesi için alüminyum üzerine kaplanabilirse, ek enerji olmadan sürekli yalnızca su üreten bir sistem hayal edilebilir. Gölgeli bir yere bu malzemeden yapılmış bir “kanatçık” küpü koyup altına bir toplama kovası yerleştirmek yeterli olabilir. Böyle bir cihaz gerçekten üretilirse, günde kaç litreyi hangi koşullarda çekebildiğini ölçmek ilginç olurdu. Özellikle yaş termometre sıcaklığı gibi tehlikeli durumlarda, havadaki nemi enerjisiz şekilde azaltan pasif bir cihaz hayat kurtarmada da kullanılabilir
Gizli ısının gerçekten soğutma cihazına aktarıldığını dramatik etki için gizlemiş olabilirler, ama süreçte malzeme çevredeki havadan daha sıcak hale geliyorsa bu alışılmadık olur. Normalde nemi çıkarmak için sıcaklığın daha da düşmesi gerekir. Azami su çıkarımını ölçmek için ideal olmasa da, malzemeyi ortam sıcaklığına kadar soğutmak çok daha kolay bir iştir
Makalenin bir yerinde gerçekten önemli bir uyarı gizlenmiyorsa, iddia ettikleri şey termodinamiğin ikinci yasasıyla uyumsuz görünüyor. Nanomalzeme yüzeyinde <i>izotermal</i> koşullarda ve <i>%100'ün altında bağıl nemde</i> su damlacıkları oluştuğunu iddia ediyorlar. Bu termodinamik olarak kesinlikle mümkün değil. Bu koşullarda yoğuşma yalnızca içbükey yüzeylerde (gözeneklerde) gerçekleşebilir; düz bir yüzeyde dışbükey damla oluşumu mümkün değildir. Makaledeki "hidrofilik bileşenler suyu sıkıp dışarı çıkarabilir" açıklaması saçma. Su içbükey gözeneklerde toplanıp dışbükey bir damlaya geçecekse, su basıncının aynı anda hem pozitif hem negatif olması gerekir ki bu imkânsızdır. Bana göre şu üç olasılıktan biri var: 1) kirli yüzey 2) bağıl nem yanlış ölçülmüş 3) ortamdan daha soğuk bir soğutma plakası belirtilmemiş. Makale bağlantısı
4 gün önce yeniden paylaşılmıştı: HN yorum bağlantısı ve bunu sanki termodinamiği ihlal ediyormuş gibi çok abartılı pazarlıyorlar. Aslında öyle değil ve mevcut nem alıcılar zaten mevcut verimlilik seviyelerinde yeterince su çıkarabiliyor; dolayısıyla burada başka bir güçlü taraf olması gerekir. Ama bunun ne olduğu pek net görünmüyor
"Nem alıcılar enerji bedelini ödeyerek zaten havadan yeterince su çıkarıyor" ifadesine katılmıyorum. Yoğuşmalı nem alıcılar pratikte klima kadar elektrik tüketiyor, istenmeyen ısı yayıyor ve oldukça gürültülü oluyor. Desikant nem alıcılar ise daha da verimsiz. Eğer daha az enerjiyle ve daha sessiz biçimde nem çekmenin bir yolu varsa, bu gerçekten büyük bir değişim olur
Bunun gerçekten termodinamiği ihlal ediyor gibi görünmediğini düşünüyorum. Ancak atmosferdeki su buharını yoğuşturmak için teorik olarak buna ihtiyaç varmış gibi de görünmüyor. Makaleye göre, "[hidrofilik nanoporlu PINF, nemin %100'ün altında olduğu ortama maruz bırakıldığında, soğutma olmadan yüzeyde kendiliğinden makroskopik su damlacıkları oluştuğu gözlenmiştir]" Makale bağlantısı
Buradaki fikir, havayı soğutmadan su çıkarabilmek. Önce nemi alıyor ve malzeme biraz ısınıyor; bu ısı da daha sonra pasif olarak dışarıya yayılıyor. Tamamı kapalı bir sistem olsaydı sonunda denge oluşurdu, ama ayırt edici nokta, sistemin kapalı olmak zorunda olmaması
"Daha çekici başka bir şey olması gerekmiyor mu?" sorusuna cevap: Windtraps, yani Dune'daki rüzgâr tuzakları fikrini çağrıştırıyor
Benzer içerikli yinelenen yorumlar var, bunları birleştirip referans almayı planlıyorum
Bu teknoloji gerçekten pratik hale gelirse uygulama alanlarının sayısı çok fazla olur. Her ağacın yanına veya her tarım bitkisinin sırasına bir tane yerleştirilebilir. Ev içinde A/C ile birlikte kullanılırsa soğutma verimliliği ve nem kontrolü kolaylaşabilir. Dağlarda ya da yüksek binalarda su toplayıp küçük ölçekli hidroelektrik üretimde de kullanılabilir. Yüzme havuzlarına su takviyesi yapmak için de işe yarayabilir
Bununla çok iyi bir tuzdan arındırma yöntemi yapılıp yapılamayacağını merak ediyorum. Deniz suyunu, kapalı bir sistemdeki havaya nem doyana kadar buharlaştırıp sonra bu malzemeyle suyu toplamak gibi
"Fizik yasalarını ihlal ediyor" ifadesinin kullanılmış olması üzücü. Bu araştırma, su yoğuşturma sistemleri açısından önemli bir keşif; ama dış enerji gerektirmediği yönündeki abartılı söylem sorumsuzca. Bana kalırsa Brownian ratchet'a benzer bir şey yapmışlar. Sürekli dış enerji gerektirmediği söylenir, ama yakından bakınca her zaman bir sıcaklık farkı vardır ve bu farkı korumak için dış enerji gerekir. Muhtemelen malzeme havadan daha soğuk ya da içeri giren nem çevreden daha sıcaktır. Malzemenin içinde bir sıcaklık gradyanı olabilir ya da laboratuvar aydınlatması tek bir yüzü ısıtıyor olabilir. Aslında birçok pasif cihaz gece-gündüz sıcaklık farkına dayanır ve sonuçta bu enerji Güneş'ten gelir. Yazıda, sıcaklık gradyanını ortadan kaldırmak için malzeme kalınlığını artırdıklarından bahsediliyor ama bunun neden yapıldığını pek anlamadım. Biri gizlice enerji vermediyse, bu malzeme epey verimli olabilir (gerçekten soğutulmuş numune kullanmadılarsa); yine de kamuoyunun ilgisini çekmek için buna sürekli devinim makinesi demek zorunda kalmamız üzücü
Üniversitelerin zaman zaman ses getirecek bir şey üretme baskısını ben de anlıyorum, ama "Passively Harvest" ve "Defies Physics" gibi ifadelerin bilimsel bağlamda çok dikkatli kullanılması gerektiğini düşünüyorum. Bunun bir blog yazısı olduğunu ve hakem değerlendirmesi düzeyinde titizlik beklenmeyeceğini biliyorum, ama sonuçta bu tür terimlerin kullanımı bilime zarar veriyor. Isıl denge yasasını bozan sihirli bir malzemeye inanmak, kimyadan çok simyaya yakın
PET oldukça iyi bir yalıtkan ve deney yapanlar da sıcaklık farkının yoğuşmaya neden olup olmadığını kontrol etmeye çalışmış gibi görünüyor. Muhtemelen hem sıcaklığı hem nemi kontrol ettilerse, bu durumda malzemenin kendisinin daha sıcak hale gelmesi anlamına gelebilir; bu durumda bile pasif bir radyatörle soğutma çözüm olabilir. Bu makalede anlatılan olgu gerçekten gerçekleştirilebilirse oldukça büyük bir yenilik olabilir ve yeterince ikna edici görünüyor
Atmosferden büyük ölçekte su çekmek, Dünya'nın iklim düzenleri için felaket olabilir. Bir ülke çok fazla su çekerse başka bir ülkeye yağmur düşmeyebilir
Teknolojinin kendisi oldukça ilginç. Genel olarak bakınca, yoğuşma-buharlaşma döngüsünün termodinamik farkını büyük ölçekli iklim yerine malzeme özelliklerine taşımış gibi. Eğer gözenek boyutları serbestçe değiştirilebiliyorsa, depolama tankına su giriş/çıkış dengesini istediğiniz zaman kontrol edebilirsiniz. Örneğin akıllı giysilerde de kullanılabilir; hava sıcakken gözenekleri açıp daha fazla su salmasını, soğukken ise gözenekleri küçültüp buharlaşmayı azaltmasını sağlayabilirsiniz. Keşke yazıda sadece “fiziğe meydan okuyor” ifadesi olmasaydı
İnsanların mutlaka bilmesi gereken şey, havadan su ayırmak için gereken minimum enerjinin, tuzlu sudan su ayırmak için gereken minimum enerjiden çok daha yüksek olduğuna dair fizik yasasıdır. Bu yüzden tuzdan arındırma her zaman su hasadından daha verimlidir