Forskernes flowplatform avancerer vandhøstteknologi

Sommerens megatørke i det vestlige USA og svigtet af et vandbehandlingsanlæg i Mississippi har vist behovet for alternative måder at få adgang til vand under mangel på.

En løsning på vandmangel er at høste vand fra luften. Dr. Xianming "Simon" Dai, assisterende professor i maskinteknik ved Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science ved University of Texas i Dallas, arbejder på teknologi for at gøre det muligt for enhver at have en overkommelig, bærbar enhed, der kunne få adgang til vand hvor som helst og når som helst uden brug af ekstern energi.

Dai og hans team af forskere avancerede for nylig denne teknologi ved at udvikle en ny platform til at accelerere høstprocessen. Holdet demonstrerede platformen i en undersøgelse offentliggjort online 29. august i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Platformen løser et nøgleproblem i vandopsamling:Opsamlede vanddråber danner en termisk barriere, der forhindrer yderligere kondens, så de skal fjernes fra overfladen så hurtigt som muligt for at give plads til mere høst.

UTD-teamet løste dette problem ved at udvikle en platform med en unik form. De skærer en række svampelignende kanaler - mindre i diameter end et menneskehår - ind i opsamlingsoverfladen, så en del af overfladematerialet hænger ud over hver kanal. Efterhånden som dråber samler sig på overfladen, absorberes de i kanalerne, men svampedesignet forhindrer vandet i at strømme tilbage til den oprindelige opsamlingsoverflade. Høstet vand opsamles gennem disse kanaler.

Nøglen til platformens succes er en ny glat overflade, der adskiller flowet, bygget på fundamentet af Dais tidligere arbejde i 2018 for at fange vand fra tåge og luft. Inspireret af risblade og kandeplanter, der kan fange og lede vanddråber, har den hydrofile glatte væskeinfunderede porøse overflade (SLIPS) en unik vandabsorberende egenskab, der hjælper med at lede vanddråber ind i kanalerne. Kanalerne er også foret med SLIPS, som hjælper med at forhindre væske i at skylle tilbage på den oprindelige opsamlingsoverflade.

"Overfladespændingskraft flytter væsken fra opsamlingsoverfladen ind i kanalen, hvilket er godt for kontinuerlig vandhøst," sagde Dai. "De svampelignende kanaler er unikke, fordi de låser væsken inde."

Udgivelsen markerede en stor præstation for Zongqi Guo, Ph.D., førsteforfatter af undersøgelsen, som fik sin grad i december.

"This work is a summary of my Ph.D. research. We combined microfluidics, microfabrication and surface chemistry to unveil the new fundamentals for water sustainability, which is flow separation," said Guo, now a postdoctoral fellow at the University of Minnesota.

The technology has a variety of applications, including military uses. "Soldiers need to be able to drink water wherever they are," Dai said. "This requires a decentralized water harvesting technology."

Because the technology removes moisture from air, it also could be useful in food processing and other environments that require humidity control, he said. Dai's team continues to improve the technology and work toward making broader impacts.

Dr. Joshua Summers, professor and department head of mechanical engineering, said Dai's research addresses the importance of improving the welfare of all people.

"Hopefully, this publication can help stimulate the scientific discovery and engineering of solutions that can be widely deployed where moisture should be harvested," Summers said. "As a huge 'Star Wars' fan, I am excited to see that we are moving closer to the 'moisture farms' of Luke's youth."

Co-authors of the study include Dylan Boylan, mechanical engineering graduate student, and Dr. Li Shan, mechanical engineering research associate. + Udforsk yderligere

'Climbing droplets' could lead to more efficient water harvesting