De megadroogte van deze zomer in het westen van de VS en het falen van een waterzuiveringsinstallatie in Mississippi hebben aangetoond dat er behoefte is aan alternatieve manieren om toegang te krijgen tot water tijdens tekorten.

Een oplossing voor waterschaarste is het halen van water uit de lucht. Dr. Xianming "Simon" Dai, assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science aan de Universiteit van Texas in Dallas, werkt aan technologie om het voor iedereen mogelijk te maken een betaalbaar, draagbaar apparaat te hebben dat overal en altijd toegang tot water zonder externe energie.

Dai en zijn team van onderzoekers hebben onlangs die technologie verder ontwikkeld door een nieuw platform te ontwikkelen om het oogstproces te versnellen. Het team demonstreerde het platform in een studie die op 29 augustus online werd gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences .

Het platform lost een belangrijk probleem op bij het opvangen van water:verzamelde waterdruppels vormen een thermische barrière die verdere condensatie voorkomt, dus moeten ze zo snel mogelijk van het oppervlak worden verwijderd om ruimte te maken voor meer oogst.

Het UTD-team heeft dit probleem aangepakt door een platform met een unieke vorm te ontwikkelen. Ze sneden een reeks paddenstoelachtige kanalen - kleiner in diameter dan een mensenhaar - in het verzameloppervlak, zodat een deel van het oppervlaktemateriaal over elk kanaal hangt. Wanneer druppeltjes zich op het oppervlak verzamelen, worden ze geabsorbeerd in de kanalen, maar het paddenstoelontwerp voorkomt dat het water terugstroomt naar het oorspronkelijke verzameloppervlak. Via die kanalen wordt geoogst water verzameld.

De sleutel tot het succes van het platform is een nieuw, glad oppervlak met stroomscheiding, gebouwd op de basis van Dai's eerdere werk in 2018 om water uit mist en lucht op te vangen. Geïnspireerd door rijstbladeren en bekerplanten die waterdruppels kunnen vangen en richten, heeft het hydrofiele gladde, met vloeistof doordrenkte poreuze oppervlak (SLIPS) een unieke waterabsorberende eigenschap die helpt waterdruppels in de kanalen te leiden. De kanalen zijn ook bekleed met SLIPS, wat helpt voorkomen dat vloeistof terugspoelt op het oorspronkelijke opvangoppervlak.

"Oppervlaktespanningskracht verplaatst de vloeistof van het verzameloppervlak in het kanaal, wat goed is voor continue waterwinning," zei Dai. "De paddenstoelachtige kanalen zijn uniek omdat ze de vloeistof binnenin opsluiten."

De publicatie was een belangrijke prestatie voor Zongqi Guo, Ph.D., eerste auteur van de studie, die in december zijn diploma behaalde.

"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. + Verder verkennen

'Climbing droplets' could lead to more efficient water harvesting