大気水生成器
湿った空気から飲料水を抽出する装置
家庭用の最先端AWG。

大気水生成器（AWG ）は、湿った大気から水を抽出し、飲料水を生成する装置である。空気中の水蒸気は、凝縮（空気を露点以下に冷却する） 、乾燥剤にさらす、水蒸気のみを通過させる膜を使用する、霧を集める、[1]、または空気を加圧するなどの方法で抽出することができる。AWGは、周囲の空気中に常に水が存在するため、飲料水の入手が難しい場所で有用である。密集した都市部では、同じメッシュ技術をファサードや屋根に直接組み込むことができ、建物の外壁自体が霧を集める。この方法を使用するシステムは、建物一体型霧コレクターと呼ばれている。[2]

AWGは、多大なエネルギー投入を必要とする場合もあれば、自然の温度差を利用して受動的に作動する場合もあります。バイオミミクリー研究により、Onymacris unguicularis という甲虫がこの作業を行う能力を有することが明らかになっています。[3]

ある研究では、AWGは10億人に飲料水を供給するのに役立つ可能性があると報告されています。[4] [5] [6]

歴史

チリのアタカマ砂漠、アルト・パタチェの「アトラパニエブラス」または霧の集まり。

インカ人は雨量線より上の地域でも、露を集めて貯水槽に送ることで文化を維持することができました。[7]記録によると、彼らは水を集めるための霧柵を使用していました。これらの伝統的な方法は受動的であり、外部からのエネルギー源を必要とせず、自然発生する温度変化に依存していました。[要出典]

アームブラストカップという緊急生存装置が存在し、これは息の水分を飲料水に変換し、海上での緊急着陸時に使用されました。[8] [9] [10]

2022年にアメリカ陸軍とアメリカ海軍は、テララボと連邦緊急事態管理庁（FEMA）から塩水ベースの抽出技術の契約を締結した。[11]

DARPAの大気水抽出プログラムは、150人の兵士に水を供給でき、4人で持ち運び可能な装置の開発を目指しています。2021年2月、ゼネラル・エレクトリック社は、この装置の開発継続のために1400万ドルの助成金を獲得しました。[12]

2022年には、セルロース／コンニャクガムをベースとした乾燥剤が実証され、湿度30%で13 L/kg/日（1.56 US gal/lb/day）、湿度15%で6 L/kg/日（0.72 US gal/lb/day）の水分を生成することが確認されました。この乾燥剤は60℃（140 °F）に加熱すると水分を放出します。[13] [11]

2024年、研究者らは2mm（0.08インチ）間隔の垂直フィンを用いた装置を発表しました。フィンは銅板で、ゼオライトでコーティングされた銅フォームで覆われています。銅板を184℃（363°F）に加熱すると、水分が放出されます。フィンは湿度30%の空気中で1時間に1回飽和状態になります。1時間ごとに加熱することで、この収穫機は1日あたり1キログラム（2.2ポンド）の原料から5.8リットル（1.5ガロン）の水分を生産できます。[7] [12]

テクノロジー

冷却ベースのシステムが最も一般的ですが、吸湿性システムも有望視されています。ハイブリッドシステムは、吸着、冷却、凝縮を組み合わせたものです。[14] [15] エアウェルは、受動的に水分を収集する別の方法です。

冷却結露

冷却凝縮プロセスの例。

凝縮システムは最も一般的なアプローチです。コンプレッサーを用いて冷媒を凝縮器と蒸発器コイルに循環させ、周囲の空気を冷却します。空気が露点に達すると、水がコレクターで凝縮します。ファンが濾過された空気をコイルに送り込みます。浄化／濾過システムは汚染物質を除去し、周囲の微生物によるリスクを低減します。[16]

水の生成速度は、周囲温度、湿度、コイルを通過する空気量、そして機械の冷却能力に依存します。AWGは相対湿度と気温が上昇するほど効果を発揮します。目安として、周囲温度が65°F（18°C）を下回るか、相対湿度が30%を下回ると、冷却用の結露防止AWGは効率的に機能しません。

半導体材料のペルチェ効果は、半導体材料の片面が加熱され、反対側が冷却されるという、代替的な結露システムを提供します。この方法では、空気が冷却面の冷却フィンに送られ、空気の温度が下がります。固体半導体は携帯機器には便利ですが、効率が低く消費電力が大きいという欠点があります。[要出典]

湿度が低い環境でも、汽水温水供給による蒸発冷却器を用いて湿度を高めることで、発電量を増やすことができます。温室は、室内の空気がより高温多湿であるため、特殊なケースです。例としては、オマーンの海水温室やIBTS温室が挙げられます。

除湿エアコンは飲料水として適さない水を生成します。比較的低温（露点以下）の蒸発コイルが、処理された空気から水蒸気を凝縮します。

石炭ベースの電力で稼働する場合、あらゆる水源の中で最も二酸化炭素排出量が多いものの1つであり（逆浸透海水淡水化を3桁上回る）、供給チェーンの上流ではユーザーに供給される水の4倍以上の水が必要になります。[17]

湿度測定

吸湿技術は、吸収または吸着によって空気中の水分を吸収し、空気を乾燥させます。乾燥剤は液体（「ウェット」）または固体です。水分を回収するには、乾燥剤を再生（通常は加熱）する必要があります。

最も効率的で持続可能な方法は、太陽熱を動力源とする吸着冷凍機を使用することであり、これは太陽光発電システムよりも優れています。[18]このようなシステムは、ポンプや湿度が上昇する傾向がある夜間の運転などのために廃熱を使用することができます。

2024年には、高密度廃熱を利用したフィンアレイ吸着床を用いた吸着剤ベースの大気水採取（SAWH）技術が、1リットルの吸着床と市販の吸着剤を用いて、湿度30％で1日あたり吸着剤1kgあたり5.8リットルの採取を実証した。[19]

湿式乾燥剤

液体乾燥剤の例としては、塩化リチウム、臭化リチウム、[20] 塩化カルシウム、塩化マグネシウム、ギ酸カリウム、トリエチレングリコール、[EMIM][OAc]などがある。 [21]

濃縮塩水は乾燥剤として機能します。濃縮塩水は水を吸収し、その後抽出・精製されます。一部の機種では、燃料1ガロンあたり5ガロンの水を生成します。[22]濃縮塩水は塔の外側を流下し、水蒸気を吸収します。その後、濃縮塩水は部分真空状態のチャンバーに入り、加熱されて水蒸気を放出します。この水は凝縮されて回収されます。凝縮された水は重力によってシステムから除去されますが、真空状態になり、塩水の沸点が低下します。このシステムは、受動的な太陽エネルギーで稼働させることができます。[23]

ハイドロゲルは水分を捕捉して（例えば砂漠の夜間）、太陽光パネルを冷却したり[24]、淡水を生成することができる[25] [26] 。一つの用途としては、ハイドロゲルを太陽光パネル統合システムの隣[27] [28] やパネルの下に設置して作物を灌漑することが挙げられる[29] [30] [31] [32] [33] [34] 。

固形乾燥剤

シリカゲルとゼオライトは加圧空気を乾燥させます。[35]ある装置は1リットルの水あたり310ワット時（1,100 kJ）を消費します。この装置は、多孔質の銅基板上にジルコニウム/有機金属有機構造体を置き、グラファイト基板に接着します。太陽光がグラファイトを加熱し、水を放出します。そして、その水がグラファイトを冷却します。[36]

燃料電池

水素燃料電池車は、水素と周囲の酸素を結合させることで、走行距離8マイル（12.87キロメートル）ごとに1リットルの飲料水を生成します。[37]

ハイドロパネル

飲料水は、太陽光と太陽熱を利用した屋上ソーラーハイドロパネルで生成することができます。[38] [39] [40]

大気中の水分採取に必要な最小エネルギー[1]

エネルギー

空気が水分で過飽和状態になっていない限り、大気から水分を採取するにはエネルギーが必要です。必要なエネルギーは湿度と温度の関数であり、ギブスの自由エネルギーを用いて計算できます。

参照

参考文献

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