Een nieuw systeem, bedacht door MIT-ingenieurs, zou een goedkope bron van drinkwater kunnen zijn voor uitgedroogde steden over de hele wereld en tegelijkertijd de bedrijfskosten van de energiecentrale kunnen verlagen.

Ongeveer 39 procent van al het zoete water dat aan rivieren wordt onttrokken, meren, en reservoirs in de VS is bestemd voor de koelbehoeften van elektriciteitscentrales die fossiele brandstoffen of kernenergie gebruiken, en veel van dat water drijft uiteindelijk weg in dampwolken. Maar het nieuwe MIT-systeem zou mogelijk een aanzienlijk deel van dat verloren water kunnen besparen - en zou zelfs een belangrijke bron van schone, veilig drinkwater voor kuststeden waar zeewater wordt gebruikt om lokale elektriciteitscentrales te koelen.

Het principe achter het nieuwe concept is bedrieglijk eenvoudig:wanneer mistrijke lucht wordt gezapt met een straal elektrisch geladen deeltjes, bekend als ionen, waterdruppels worden elektrisch geladen en kunnen zo naar een netwerk van draden worden getrokken, vergelijkbaar met een raamscherm, op hun pad geplaatst. De druppeltjes verzamelen zich dan op dat gaas, afgieten in een opvangbak, en kan worden hergebruikt in de energiecentrale of naar het watervoorzieningssysteem van een stad worden gestuurd.

Het systeem, wat de basis is voor een startend bedrijf genaamd Infinite Cooling dat vorige maand de $ 100K Entrepreneurship Competition van MIT won, wordt beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang , co-auteur van Maher Damak Ph.D. '17 en universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Kripa Varanasi. Damak en Varanasi behoren tot de mede-oprichters van de startup.

Varanasi's visie was om zeer efficiënte waterterugwinningssystemen te ontwikkelen door waterdruppels op te vangen van zowel natuurlijke mist als pluimen van industriële koeltorens. Het project begon als onderdeel van Damaks proefschrift, dat gericht was op het verbeteren van de efficiëntie van mistoogstsystemen die in veel waterarme kustgebieden worden gebruikt als bron van drinkwater. Die systemen, die over het algemeen bestaan ​​uit een soort plastic of metalen gaas dat verticaal hangt in het pad van mistbanken die regelmatig vanuit zee naar binnen rollen, zijn uiterst inefficiënt, het vangen van slechts ongeveer 1 tot 3 procent van de waterdruppels die er doorheen gaan. Varanasi en Damak vroegen zich af of er een manier was om het gaas meer van de druppels te laten opvangen - en vonden een zeer eenvoudige en effectieve manier om dit te doen.

De reden voor de inefficiëntie van bestaande systemen werd duidelijk in de gedetailleerde laboratoriumexperimenten van het team:het probleem zit in de aerodynamica van het systeem. Zoals een luchtstroom een ​​obstakel passeert, zoals de draden in deze mesh mistvangschermen, de luchtstroom wijkt natuurlijk af rond het obstakel, net zoals lucht die rond een vliegtuigvleugel stroomt, zich scheidt in stromen die boven en onder de vleugelstructuur passeren. Deze afwijkende luchtstromen dragen druppeltjes die opzij naar de draad gingen, tenzij ze knallend richting het midden van de draad gingen.

Het resultaat is dat de fractie van de opgevangen druppels veel lager is dan de fractie van het verzamelgebied dat door de draden wordt ingenomen, omdat druppeltjes opzij worden geveegd van draden die ervoor liggen. Alleen de draden groter maken of de ruimtes in het gaas kleiner maken, heeft de neiging contraproductief te zijn omdat het de algehele luchtstroom belemmert, resulterend in een netto afname van de collectie.

Maar als de binnenkomende mist eerst wordt weggezapt met een ionenstraal, het tegenovergestelde effect gebeurt. Niet alleen komen alle druppeltjes die zich in het pad van de draden bevinden erop terecht, zelfs druppeltjes die op de gaten in het gaas mikten, worden naar de draden getrokken. Dit systeem kan dus een veel groter deel van de druppeltjes die er doorheen gaan opvangen. Als zodanig, het zou de efficiëntie van mistvangsystemen drastisch kunnen verbeteren, en tegen verrassend lage kosten. De uitrusting is eenvoudig, en het benodigde vermogen is minimaal.

Volgende, het team concentreerde zich op het opvangen van water uit de pluimen van koeltorens van elektriciteitscentrales. Daar, de stroom waterdamp is veel geconcentreerder dan welke natuurlijk voorkomende mist dan ook, en dat maakt het systeem nog efficiënter. En aangezien het opvangen van verdampt water op zichzelf al een distillatieproces is, het gevangen water is puur, zelfs als het koelwater zout of vervuild is. Op dit punt, Karim Khalil, een andere afgestudeerde student uit het laboratorium van Varanasi voegde zich bij het team.

"Het is gedestilleerd water, die van hogere kwaliteit is, dat is nu gewoon verspild, "zegt Varanasi. "Dat proberen we vast te leggen." Het water kan naar het drinkwatersysteem van een stad worden geleid, of gebruikt in processen die zuiver water vereisen, zoals in de ketels van een elektriciteitscentrale, in tegenstelling tot het gebruik in het koelsysteem waar de waterkwaliteit niet veel uitmaakt.

Een typische elektriciteitscentrale van 600 megawatt, Varanasi zegt, kan 150 miljoen gallons water per jaar opvangen, die een waarde van miljoenen dollars vertegenwoordigen. Dit vertegenwoordigt ongeveer 20 tot 30 procent van het water dat verloren gaat door koeltorens. Met verdere verfijningen, het systeem kan mogelijk nog meer van de output opvangen, hij zegt.

Bovendien, aangezien er al elektriciteitscentrales zijn langs veel droge kusten, en velen van hen worden gekoeld met zeewater, dit biedt een zeer eenvoudige manier om waterontziltingsdiensten te leveren tegen een kleine fractie van de kosten van het bouwen van een zelfstandige ontziltingsinstallatie. Damak en Varanasi schatten dat de installatiekosten van een dergelijke verbouwing ongeveer een derde zouden bedragen van de bouw van een nieuwe ontziltingsinstallatie, en de bedrijfskosten zouden ongeveer 1/50 bedragen. De terugverdientijd voor het installeren van een dergelijk systeem zou ongeveer twee jaar zijn, Varanasi zegt, en het zou in wezen geen ecologische voetafdruk hebben, niets toevoegen aan die van de oorspronkelijke plant.

"Dit kan een geweldige oplossing zijn om de wereldwijde watercrisis aan te pakken, "Zegt Varanasi. "Het zou de behoefte aan ongeveer 70 procent van de nieuwe ontziltingsinstallaties in het volgende decennium kunnen compenseren."

In een reeks dramatische proof-of-concept-experimenten, Damak, Khalil, en Varanasi demonstreerden het concept door een kleine laboratoriumversie te bouwen van een stapel die een pluim van waterdruppels uitstraalt, vergelijkbaar met die op werkelijke koeltorens van elektriciteitscentrales, en plaatsten hun ionenstraal en gaasscherm erop. In de video van het experiment, een dikke pluim van mistdruppels stijgt op uit het apparaat - en verdwijnt vrijwel onmiddellijk zodra het systeem wordt ingeschakeld.

Het team bouwt momenteel een volledige testversie van hun systeem om op de koeltoren van MIT's Central Utility Plant te plaatsen, een warmtekrachtcentrale op aardgas die het grootste deel van de elektriciteit van de campus levert, verwarming, en koeling. De opstelling zal naar verwachting aan het einde van de zomer op zijn plaats zijn en zal in de herfst worden getest. De tests omvatten het uitproberen van verschillende variaties van het gaas en de ondersteunende structuur, zegt Damak.

Dat zou het benodigde bewijs moeten leveren om exploitanten van elektriciteitscentrales in staat te stellen, die de neiging hebben conservatief te zijn in hun technologiekeuzes, om het systeem over te nemen. Omdat energiecentrales tientallen jaren meegaan, hun operators hebben de neiging "zeer risicomijdend te zijn" en willen weten "is dit ergens anders gedaan?" zegt Varanasi. De tests van de campuscentrale zullen niet alleen de technologie "ontmoedigen", maar zal de MIT-campus ook helpen haar watervoetafdruk te verbeteren, hij zegt. "Dit kan een grote impact hebben op het watergebruik op de campus."