Havadan pasif olarak su çekebilen yeni bir malzeme geliştirildi
(blog.seas.upenn.edu)- Penn Engineering araştırmacıları, dışarıdan enerji gerektirmeden havadaki nemi gözeneklerde toplayıp ardından yüzeyde damlacıklar halinde dışarı veren bir nanoyapılı malzeme sınıfı keşfetti
- Temel unsur, hidrofilik nanogözenekler ile hidrofobik polimeri birleştiren amfifilik nanogözenekli yapı; bu sayede düşük nemde bile gözeneklerin içinde kapiler yoğuşma gerçekleşiyor
- Geleneksel nanogözenekli malzemelerden farklı olarak su gözeneklerde kalmıyor, yüzeye taşınıyor; ayrıca membran kalınlaştıkça toplanan su miktarı da artıyor
- Yüzeydeki damlacıkların hızla buharlaşacağı öngörülse de uzun süre korunduğu görüldü; bu durum, gözeneklerin altındaki gizli rezervuarın havadaki su buharıyla sürekli beslendiği bir yapı olarak yorumlanıyor
- Kurak bölgelerde pasif su toplama, elektronik cihazlar ve binalar için soğutma yüzeyleri, neme duyarlı akıllı kaplamalar gibi alanlara uzanabilir; ancak bileşen dengesinin optimize edilmesi ve büyük ölçekli üretim hâlâ çözülmesi gereken konular
Tesadüfi bir damlacıkla başlayan keşif
- Penn Engineering kimya mühendisliği laboratuvarında hidrofilik nanogözenekler ile hidrofobik polimer kombinasyonları test edilirken deney malzemesinin yüzeyinde su damlacıkları oluştu
- Asıl hedef su toplamak değildi; ancak beklenmedik bu olgu tekrarlanınca araştırmacılar nedenini analiz etmeye başladı
- Science Advances'ta yayımlanan çalışma, havadaki nemi yakalayıp yüzeye salan amfifilik nanogözenekli malzemeleri ele alıyor
- Araştırma ekibinde Penn Engineering'den Daeyeon Lee, Amish Patel, Lee laboratuvarından doktora sonrası araştırmacı Baekmin Kim ve Technical University of Munich'ten Stefan Guldin gibi isimler yer alıyor
Soğutma olmadan su toplayan çalışma prensibi
- Sıradan yüzey yoğuşması için sıcaklığın düşürülmesi veya çok yüksek nem gerekir
- Mevcut su hasadı yöntemleri de çoğu zaman yüzey soğutması için enerji girdisine ya da nemli ortamlarda yoğun sis oluşan koşullara bağlıdır
- Bu malzeme ise soğutma yerine kapiler yoğuşmadan yararlanıyor
- Bu, su buharının çok küçük gözeneklerin içinde düşük nemde bile yoğuşması sürecidir
- Kapiler yoğuşmanın kendisi yeni bir olgu değil
- Fark ise yoğuşan suyun gözeneklerin içinde hapsolmaması, yüzeye taşınıp damlacıklar olarak görünmesidir
Membran kalınlığı deneyinin gösterdiği iç kaynak
- Araştırmacılar başlangıçta, laboratuvardaki sıcaklık gradyanı gibi düzeneğe bağlı etkenler yüzünden suyun yüzeyde basitçe yoğuşmuş olabileceğini değerlendirdi
- Nedeni ayırt etmek için malzeme membranının kalınlığını artırdılar ve yüzeyde biriken su miktarının değişip değişmediğini kontrol ettiler
- Eğer tek neden yüzey yoğuşması olsaydı, membran kalınlığının su miktarını etkilememesi gerekirdi
- Gerçekte ise membran kalınlaştıkça toplanan toplam su miktarı arttı; bu da yüzeydeki damlacıkların malzemenin içinden geldiğine işaret etti
Uzun süre kalan damlacıklar ve besleme döngüsü
- Damlacıklar boyut ve eğrilik açısından bakıldığında hızla buharlaşmalıydı, ancak deneylerde uzun süre kararlı kaldıkları görüldü
- Dış işbirliği ekipleri de gözenekli membranları çeşitli koşullar altında gözlemleyerek sonuçların yeniden üretilebilirliğini doğrulama görevini üstlendi
- Malzeme, suyu çeken nanoparçacıklar ile suyu iten bir plastik olan polietilen (polyethylene) arasındaki denge sayesinde özel özellikler gösteriyor
- Yüzeydeki damlacıklar, alttaki gözeneklerde bulunan gizli bir rezervuara bağlı
- Bu rezervuar havadaki su buharıyla sürekli besleniyor
- Hidrofilik ve hidrofobik bileşenlerin dengesi, yoğuşma ve salımı mümkün kılan bir geri besleme döngüsü oluşturuyor
Pasif su toplama ve soğutmaya uzanan ölçekleme soruları
- Malzemenin avantajı, yaygın polimerler ve nanoparçacıklardan üretilmesi ve ölçeklenebilir üretim yöntemlerinin kullanılabilmesi
- Olası uygulama alanları şunlar
- Kurak bölgeler için pasif su toplama cihazları
- Elektronik cihazlar veya binalar için soğutma yüzeyleri
- Ortam nemine tepki veren akıllı kaplamalar
- Araştırmacılar ayrıca hücrelerin ve proteinlerin karmaşık ortamlarda suyu nasıl yönettiğine dair bilgileri daha iyi malzeme tasarımında kullanmak istiyor
- Bir sonraki adımlar; hidrofilik-hidrofobik bileşen dengesini optimize etmek, gerçek kullanım için ölçek büyütme yapmak ve toplanan damlacıkların yüzeyden verimli şekilde yuvarlanarak ayrılmasını sağlayan yöntemleri incelemek
- Uzun vadede bu çalışma, yalnızca havadaki su buharını kullanarak kurak iklimlerde temiz su sağlama ya da daha sürdürülebilir soğutma yöntemleri geliştirme teknolojilerine dönüşebilir
1 yorum
Hacker News yorumları
“Havadan suyu çekip gözeneklerde topluyor ve dış enerji olmadan yüzeye salıyor” açıklaması, gelişmiş bir nem alıcı poşete benziyor
https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... gibi ürünler, kalsiyum klorürle doymamış havadan suyu emip küçük su damlacıkları oluşturur; ancak tükendiğinde yenisini almak ya da kaynatıp kristalleri geri kazanmak gerekir
Yeni malzemede de su damlacıkları malzemeye yapışık kaldığı için bunları çıkarmak enerji gerektirir. Cihazın altındaki kovaya sihirli biçimde düşmediğinden, enerji olmadan suyu “hasat etmek” mümkün değildir. Kâğıt havluyla silinebilir ama o kâğıt havludan suyu çıkarmak için yine enerji gerekir
“Fizik yasalarına meydan okuyabilecek bir malzeme” ifadesi de yanlıştır. Üniversite tanıtım ekipleri ve teknoloji gazetecileri, fizik yasalarının bozulduğuna inanmadan önce yazarlara yeniden doğrulatma ve bağımsız uzmanlara da kontrol ettirme konusunda kısa bir eğitim almalı
Söz konusu cümle ve yanlış anlamaya yol açan başlık üniversitenin yazısından geliyor: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...
Fizik yasalarını çiğnemeden, damlacıkları ayırmanın hâlâ enerji gerektirdiği doğru. Ancak damlacıklar yüzeye taşınıyorsa, salım için gereken enerji Peltier bağlantısı gibi aktif nem alma yöntemlerine göre çok daha düşük olabilir gibi görünüyor
https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
Temelde güçlendirilmiş silika jele daha yakın
Şekil 4 ve simülasyon Şekil 3E’ye bakınca, bir şeylerin olmaya başladığı koşulun %97 bağıl nem olduğu ve bunun birkaç dakika sonra gerçekleştiği anlaşılıyor. Üstelik mikrometre ölçeğinde
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Evde bile neredeyse denenebilecek türden. Poli eldiveni “liyofilize” silika tozunda çözmek yeterli
Gereken enerji düşükse ilginç bir teknoloji sayılabilir
Emici bir yüzey veya kılcal etkiye dayalı bir taşıma sistemiyle birleştirilirse faydalı olabilir, ama bu şimdilik açık bir soru gibi görünüyor
Asıl makalede (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349) şöyle deniyor: “Aksi belirtilmedikçe tüm ölçümler, hava dolaşım sistemiyle korunan 20° ± 0,2°C’de gerçekleştirildi. Gerektiğinde film sıcaklığı bir ısıtma/soğutma cihazıyla (THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK) kontrol edildi.”
Yani gizli ısı soğutma cihazıyla uzaklaştırılıyor; daha dramatik görünmesi için bunu açıkça söylememişler gibi.
Bu, çiy oluşmadan hemen önceki çok nemli hava demek. Birçok kişi “fizik yasalarının ihlali” gibi sansasyonel ifadeye odaklanıyor, ama bu daha çok doğal olarak gerçekleşen bir sürecin kademeli iyileştirilmesine benziyor.
Temel iddia, doymamış buharda makroskopik damlacıkların kendiliğinden oluştuğu; bu ise termodinamiğin ikinci yasasının izin verdiği bir olgu değil.
Şu anki anlayışıma göre, ortam sıcaklığının yeterince düşük olduğu bir çevrede daha yüksek sıcaklıklarda da çalışabildiği için gizli ısı pasif radyasyonla uzaklaştırılabilir. Aktif bir ısı pompası kullanılsa bile daha yüksek sıcaklık verimi artırabilir. Kapalı bir sistemse sonunda dengeye ulaşır, ama sistemi kapalı tutmak zorunda değilsiniz.
Muhtemelen bu malzeme katmanı alüminyum üzerine konup gizli ısı iletimle uzaklaştırılarak, ek enerji olmadan sürekli su üreten bir cihaz yapılabilir. Gölgede, bu malzemeden yapılmış bir kanatçık demeti ve altında bir toplama haznesi bulunan bir “küp” düşünün. Gerçekten üretildikten sonra, hangi koşullarda çevre havasından günde kaç litre su çekebileceği ilginç olacak.
Böyle bir cihaz, sıcaklık ve nem içeriğinin insanlar için tehlikeli olduğu yaş termometre sıcaklığı koşullarında hayati olabilir. Enerji kullanmadan havadaki suyu çeken pasif bir cihaz hayat kurtarabilir.
Nanoparçacıklar arasındaki boşluklar plastikle kısmen dolduruluyor; plastiğin parçacıklara oranı da poly-ethylene hacim kesri (ϕPE). Çeşitli oranları denemişler ve belirli bir aralıkta ıslanma davranışının ortaya çıktığını söylüyorlar.
Deneysel olarak %70 bağıl nemde bile malzemenin içinde küçük damlacıklar oluştuğu belirtiliyor. Doğruysa, çok az enerjiyle damlacıkları çıkarmanın bir yolu bulunabileceğini umuyorum. Örneğin filmde açık toplama noktaları oluşturmak, damlacıkları ultrasonla sıçratıp birleştirmek ya da suyla doygun hâle gelebilen bir malzeme üzerinde film oluşturarak yeni damlacıkların akışa kolayca katılmasını sağlamak mümkün olabilir.
https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction
Makalenin bir yerinde önemli bir ipucu saklamadılarsa, bu iddia termodinamiğin ikinci yasasıyla uyuşmuyor gibi görünüyor.
Sabit sıcaklıkta ve %100’ün altında bağıl nemde, nanomalzeme üzerinde su damlacıklarının yoğunlaştığını iddia ediyorlar. Bildiğimiz termodinamiğe göre bu kesinlikle yasak. Bu koşullarda gözeneklerin içindeki içbükey yüzeylerde yoğunlaşma olabilir, ama düz bir yüzey üzerinde dışbükey bir damlacık oluşamaz.
Hidrofobik bileşenin suyu yüzeye “sıkıp çıkardığı” açıklaması da saçma. Yoğunlaşma taşmadan önce durur. İçbükey bir gözenekte yoğunlaşmış suyun dışbükey bir damlacık hâlinde dışarı itilmesi için hidrostatik basıncın aynı anda hem pozitif hem negatif olması gerekir.
Olası açıklamalar ancak şunlar: 1) kirlenmiş yüzey 2) bağıl nem kalibrasyon hatası 3) malzemeyi çevreden daha düşük sıcaklıkta tutan bir soğutma plakasının atlanmış olması.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Nem tüm malzemelerin içine difüze olur ve buhar basıncının düşük olduğu yere göre buharlaşır. %40 bağıl nemde dudakların kuruyup %70’te nemli kalmasının nedeni de budur.
Bahsedilen şey yoğunlaşma; bu da sıcaklık düşüşüyle hava aşırı doygun hâle geldiğinde gerçekleşen bir olgu, fakat burada durum bu değil gibi görünüyor.
Teorik olarak, havadaki yüksek nemi emip mikroskobik özellikleriyle damlacık oluşumunu teşvik eden ve sonra bu damlacıkları akıllı bir nem bariyeri gibi pasif bir malzemeyle havadan ayırarak su hasadı yapan bir malzeme mümkün olabilir.
Islak olan şey toz ve mikroorganizmaları çeker. Toz ve su varsa mikroorganizmalar daha da çoğalır. Kısa sürede likenler büyümeye başlar.
Dört gün önce yeniden paylaşılmış: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
Ayrıca, bunun termodinamiği ihlal ediyormuş gibi duyulmasını sağlama konusunda gerçekten başarılı olmuşlar. Aslında öyle değil; nem alma cihazları, zaten ödemeniz gereken enerji maliyetine göre havadan suyu gayet iyi çıkarıyor. O hâlde başka bir satış noktası olmalı, ama pek görünmüyor
Yoğuşmalı nem alma cihazlarının çalıştırma maliyeti klima kadar yüksek, istenmeyen ısı üretiyorlar ve gürültülüler. Desikant tip nem alma cihazları ise enerji açısından daha da verimsiz
Havadan daha az enerji ve gürültüyle nem çekmenin bir yolu varsa bu çok büyük bir şey olur
Makalede şöyle deniyor: “Şaşırtıcı biçimde, bu amfifilik nanogözenekli PINF yüksek doymamışlık koşullarına, yani bağıl nem (RH) < %100’e maruz bırakıldığında, soğutma olmadan bile filmin yüzeyinde makroskobik su damlacıkları kendiliğinden ortaya çıkar”
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Önce su elde ediliyor; bunun sonucunda malzeme biraz ısınıyor, ardından yeniden ortam sıcaklığına pasif olarak soğuyabiliyor
https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap
Basın bülteninde “fiziğe meydan okuyor” ifadesini kullanmasalardı keşke. Su yoğuşturucuları için önemli bir keşif olabilir, ama harici enerji kaynağı gerekmediğini iddia etmek ciddi biçimde özensiz
Neredeyse kesin olarak bir tür Brownian ratchet yapmışlar gibi: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
İnsanlar harici enerji kaynağı olmadığını iddia etmeyi seviyor, ama ayrıntıya bakınca sıcak-soğuk farkı var ve bu farkı korumak için harici enerji gerekiyor. Malzemenin ortamdan daha soğuk olduğuna ya da gelen nemin ortamdan daha sıcak olduğuna büyük para koyarım. Malzemenin içindeki bir fark da olabilir, laboratuvar ışıkları bir tarafı ısıtıyor da olabilir
Gündüz-gece sıcaklık döngüsüne dayanan çok sayıda pasif cihaz da var, ama bu da Güneş’ten gelen enerjidir
Makalede, malzeme kalınlığını artırarak ısı gradyanını dışlamaya çalıştıkları söyleniyor; bunun neden bir dışlama sayıldığını anlamıyorum. Gradyan hâlâ mevcut olabilir
Bilerek enerji sağlamadılarsa muhtemelen çok verimlidir ve bu hâlâ büyük ve önemli bir şey olur. Ama kamuoyunun ilgisini çekmek için bunu sanki bir devridaim makinesiymiş gibi iddia etmek gerekiyormuş gibi durması hoşuma gitmiyor
Bir blog yazısı olduğundan hakemli makale düzeyinde titizlik beklemem, ama sonuçta bilime zarar veriyor. Bir tür sihirli malzemenin termodinamiğin ikinci yasasını yıkacağına inanmak kimyadan çok simyaya yakın
Sıcaklık ve nemi kontrol ettiklerini varsayarsak malzemenin daha sıcak hâle gelmesi gerekir; bu da bir soğutucu blokla pasif olarak çözülebilir gibi görünüyor. Anlattıkları doğruysa bu oldukça büyük bir mesele ve makul görünüyor
Oldukça havalı. Temelde, yoğuşma-buharlaşma döngüsü için gereken termodinamik farkı iklim kontrolünden malzeme kontrolüne kaydırıyor
İleride gözenek boyutunu programlayabilsek nasıl olurdu? Bir rezervuarın giriş/çıkış dengesini gerektiğinde değiştirebilirdik. Akıllı kıyafetler hayal edilebilir: sıcakken gözenekleri büyütüp suyu dışarı vermek, soğukken gözenekleri küçültüp suyun daha az buharlaşmasını sağlamak gibi
Yine de makaledeki “fiziği ihlal etme” ifadesi rahatsız edici
İlgili olarak https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator bakılmaya değer
Yeni malzemenin mekanizması tamamen farklı. Havanın doygunluğa ulaşması gerekmiyor gibi görünüyor
Havadan suyu uzaklaştıran malzemeler zaten var. Bu durumlarda su emilmiş hâlde kalır. Bu malzeme de benzer bir ilkeye dayanıyor gibi görünüyor; asıl fark, suyun sürekli emilmiş hâlde kalmaması
Burası Reddit değil ama yine de
https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)
Havadan su ayırmak için gereken minimum enerjinin, tuzlu sudan su ayırmak için gereken minimum enerjiden çok daha büyük olduğunu anlamak gerekiyor
Bu fiziksel gerçek nedeniyle tuzdan arındırma, atmosferik su toplamadan her zaman daha verimli olmak zorunda
Ek sarf malzemesi girdisi gerektirmeyen bir cihaz varsa oldukça ilginç görünüyor. Elektrik kullanılabilir ama başka malzeme girdisi olmaması sayesinde avantaj sağlayabilecek pek çok yer de olacaktır
Elektrik varsa havadan her yerde su toplayabilirsiniz. Tuzdan arındırmada ise genellikle deniz kıyısında üretilen suyun istenen yere taşınması gerekir
Taşıma maliyetinin su toplamayı daha verimli kılacak kadar büyüyüp büyüyemeyeceğini hiç bilmiyorum
Enerji dengesi ve diğer teknolojilerle karşılaştırma açısından bakıldığında, emilim ve yoğuşma aynı malzemenin içinde pasif olarak gerçekleştiği için enerji girişi gerekmediği anlamına geliyor
Emilimde elde edilen ısı, bir sonraki yoğuşma aşamasında dışarı atılır. Dolayısıyla bu keşfin etkisi, klima, nem alma cihazı ya da güney sırtlarındaki moisture vaporator için gereken elektriği ortadan kaldırmasında yatıyor
Yapay zekayı hep test ediyorum; bu, bir modelin muhtemelen eğitiminde görmediği bir teknoloji hakkında nasıl düşündüğünü görmek açısından ilginç bir konuydu. Grok süreci benden (B.S. ChemE) daha titiz biçimde irdeledi
https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...
Mojave’nin tam ortasında karbonat kayaları, odun kömürü ve büyük oluklu metal borularla buna benzer bir şey yapmıştım
Bir gecede yaklaşık 3 galon su üretti
34.997387, -116.380048
Dışarı çıkan büyük boruyu göreceksiniz. Orada bir madenci oteli inşa edilmiş