Project bruger crowd computing til at forbedre vandfiltrering

Næsten 800 millioner mennesker verden over har ikke adgang til rent drikkevand, og omkring 2,5 milliarder mennesker lever under uhyggeligt uhygiejniske forhold, ifølge Centers for Disease Control and Prevention. Sammen, usikkert drikkevand og den utilstrækkelige forsyning af vand til hygiejneformål bidrager til næsten 90 % af alle dødsfald som følge af diarrésygdomme – og effektive vandsaneringsinterventioner udfordrer stadig videnskabsmænd og ingeniører.

En ny undersøgelse offentliggjort i Natur nanoteknologi foreslår en ny nanoteknologi-baseret strategi til forbedring af vandfiltrering. Forskningsprojektet involverer de små vibrationer af kulstof nanorør kaldet "fononer, " som i høj grad forbedrer diffusionen af ​​vand gennem sanitetsfiltre. Projektet var en fælles indsats fra et forskerhold fra Tsinghua University-Tel Aviv University og blev ledet af prof. Quanshui Zheng fra Tsinghua Center for Nano- og Mikromekanik og prof. Michael Urbakh fra TAU Kemiskolen, begge fra TAU-Tsinghua XIN Center, i samarbejde med prof. Francois Gray fra universitetet i Genève.

Ryste, rangle, og rul

"Vi har opdaget, at meget små vibrationer hjælper materialer, hvad enten det er vådt eller tørt, glider mere jævnt forbi hinanden, " sagde prof. Urbakh. "Gennem fononoscillationer - vibrationer af vandførende nanorør - kan vandtransporten forbedres, og sanitet og afsaltning forbedret. Vandfiltreringssystemer kræver meget energi på grund af friktion på nano-niveau. Med disse svingninger, imidlertid, vi var vidne til tre gange effektiviteten af ​​vandtransport, og, selvfølgelig, en stor mængde energi sparet."

Forskerholdet formåede at demonstrere, hvordan under de rette forhold, sådanne vibrationer giver en 300 % forbedring i vanddiffusionshastigheden ved at bruge computere til at simulere strømmen af ​​vandmolekyler, der strømmer gennem nanorør. Resultaterne har vigtige konsekvenser for afsaltningsprocesser og energibesparelse, f.eks. forbedring af energieffektiviteten til afsaltning ved hjælp af omvendt osmosemembraner med porer på nanoskalaniveau, eller energibesparelse, f.eks. membraner med bornitrid nanorør.

Crowdsourcing af løsningen

Projektet, initieret af IBM's World Community Grid, var et eksperiment i crowdsourced computing – udført af over 150, 000 frivillige, der bidrog med deres egen regnekraft til forskningen.

"Vores projekt vandt det privilegium at bruge IBM's verdenssamfundsnetværk, en åben platform af brugere fra hele verden, at køre vores program og opnå præcise resultater, " sagde prof. Urbakh. "Dette var det første projekt af denne art i Israel, og vi kunne aldrig have klaret os med kun fire elever i laboratoriet. Vi ville have krævet, hvad der svarer til næsten 40, 000 års processorkraft på en enkelt computer. I stedet havde vi fordelen af ​​omkring 150, 000 frivillige computere fra hele verden, som downloadede og kørte projektet på deres bærbare og stationære computere.

"Crowdsourced computing spiller en stadig større rolle i videnskabelige gennembrud, " Prof. Urbakh fortsatte. "Som vores forskning viser, rækken af ​​spørgsmål, der kan drage fordel af offentlig deltagelse, vokser hele tiden."

Computersimuleringerne er designet af Ming Ma, som er uddannet fra Tsinghua University og laver sin postdoktorale forskning i prof. Urbakhs gruppe på TAU. Ming katalyserede det internationale samarbejde. "De studerende fra Tsinghua er bemærkelsesværdige. Projektet repræsenterer det meget positive samarbejde mellem de to universiteter, som finder sted på XIN og på grund af XIN, " sagde prof. Urbakh.

Andre partnere i dette internationale projekt omfatter forskere ved London Centre for Nanotechnology ved University College London; universitetet i Genève; University of Sydney og Monash University i Australien; og Xi'an Jiaotong Universitetet i Kina. Forskerne er i øjeblikket i diskussioner med virksomheder, der er interesseret i at udnytte oscillations-knowhowen til forskellige kommercielle projekter.