Stel je een toekomst voor waarin elk huis een apparaat heeft dat al het water dat het huishouden nodig heeft uit de lucht haalt, zelfs in droge of woestijnachtige klimaten, alleen gebruik makend van de kracht van de zon.

Die toekomst kan om de hoek zijn, met de demonstratie deze week van een wateroogstmachine die alleen zonlicht van de omgeving gebruikt om elke dag liters water uit de lucht te halen in omstandigheden met een luchtvochtigheid van slechts 20 procent, een niveau dat veel voorkomt in droge gebieden.

De oogstmachine op zonne-energie, gerapporteerd in het journaal Wetenschap , werd gebouwd aan het Massachusetts Institute of Technology met behulp van een speciaal materiaal - een metaal-organisch raamwerk, of MOF - geproduceerd aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

"Dit is een grote doorbraak in de al lang bestaande uitdaging om water uit de lucht te halen bij een lage luchtvochtigheid, " zei Omar Yaghi, een van de twee senior auteurs van het artikel, die de James en Neeltje Tretter-leerstoel in scheikunde bekleedt aan UC Berkeley en faculteitswetenschapper is bij het Lawrence Berkeley National Laboratory. "Er is op dit moment geen andere manier om dat te doen, behalve door extra energie te gebruiken. Je elektrische luchtontvochtiger in huis 'produceert' heel duur water."

Het prototype, onder omstandigheden van 20-30 procent luchtvochtigheid, was in staat om 2,8 liter (3 quarts) water uit de lucht te halen gedurende een periode van 12 uur, met behulp van één kilogram (2,2 pond) MOF. Tests op het dak bij MIT bevestigden dat het apparaat werkt in reële omstandigheden.

"Een visie voor de toekomst is om water off-grid te hebben, waar je thuis een apparaat hebt dat op omgevingszon werkt om water te leveren dat voldoet aan de behoeften van een huishouden, " zei Yagi, wie is de oprichter en directeur van het Berkeley Global Science Institute, een mededirecteur van het Kavli Energy NanoSciences Institute en de California Research Alliance van BASF. "Naar mij, dat wordt mogelijk gemaakt door dit experiment. Ik noem het gepersonaliseerd water."

Yaghi vond meer dan 20 jaar geleden metaal-organische raamwerken uit, het combineren van metalen zoals magnesium of aluminium met organische moleculen in een knutselwerkje om stijve, poreuze structuren ideaal voor het opslaan van gassen en vloeistoffen. Vanaf dat moment, meer dan 20, Wereldwijd zijn door onderzoekers duizenden verschillende MOF's gemaakt. Sommige bevatten chemicaliën zoals waterstof of methaan:het chemiebedrijf BASF test een van Yaghi's MOF's in vrachtwagens op aardgas, omdat MOF-gevulde tanks drie keer zoveel methaan bevatten dat onder druk in een lege tank kan worden gepompt.

Andere MOF's kunnen koolstofdioxide uit rookgassen opvangen, katalyseren de reactie van geadsorbeerde chemicaliën of afzonderlijke petrochemicaliën in verwerkingsfabrieken.

In 2014, Yaghi en zijn UC Berkeley-team hebben een MOF gesynthetiseerd - een combinatie van zirkoniummetaal en adipinezuur - die waterdamp bindt, en hij stelde Evelyn Wang voor, een werktuigbouwkundig ingenieur aan het MIT, dat ze hun krachten bundelen om van de MOF een wateropvangsysteem te maken.

Het systeem dat Wang en haar studenten ontwierpen, bestond uit meer dan twee pond MOF-kristallen ter grootte van stof, gecomprimeerd tussen een zonneabsorbeerder en een condensorplaat, geplaatst in een kamer open naar de lucht. Terwijl omgevingslucht door de poreuze MOF diffundeert, watermoleculen hechten zich bij voorkeur aan de binnenoppervlakken. Röntgendiffractiestudies hebben aangetoond dat de waterdampmoleculen zich vaak in groepen van acht verzamelen om kubussen te vormen.

Zonlicht dat door een raam binnenkomt, verwarmt de MOF en drijft het gebonden water naar de condensor, dat is op de temperatuur van de buitenlucht. De damp condenseert als vloeibaar water en druppelt in een opvangbak.

"Dit werk biedt een nieuwe manier om water uit de lucht te halen waarvoor geen hoge relatieve vochtigheid nodig is en die veel energiezuiniger is dan andere bestaande technologieën. ' zei Wang.

Deze proof of concept harvester laat veel ruimte voor verbetering, zei Yagi. De huidige MOF kan slechts 20 procent van zijn gewicht in water opnemen, maar andere MOF-materialen kunnen mogelijk 40 procent of meer absorberen. Het materiaal kan ook worden aangepast om effectiever te zijn bij hogere of lagere luchtvochtigheid.

"Het is niet alleen dat we een passief apparaat hebben gemaakt dat daar water verzamelt; we hebben nu zowel de experimentele als theoretische basis gelegd zodat we andere MOF's kunnen screenen, waarvan er duizenden kunnen worden gemaakt, om nog betere materialen te vinden, " zei hij. "Er is veel potentieel voor het opschalen van de hoeveelheid water die wordt geoogst. Het is nu alleen nog een kwestie van verdere engineering."

Yaghi en zijn team zijn aan het werk om hun MOF's te verbeteren, terwijl Wang het oogstsysteem blijft verbeteren om meer water te produceren.

"Om altijd water te hebben, je zou een systeem kunnen ontwerpen dat de vochtigheid 's nachts absorbeert en overdag laat evolueren, " zei hij. "Of ontwerp de zonnecollector om dit in een veel sneller tempo mogelijk te maken, waar meer lucht naar binnen wordt geduwd. We wilden aantonen dat als je ergens in de woestijn wordt afgesneden, je zou kunnen overleven vanwege dit apparaat. Een persoon heeft ongeveer een colablikje water per dag nodig. Dat is iets wat je met dit systeem in minder dan een uur zou kunnen verzamelen."