Bij kamertemperatuur haalt het water uit de lucht. Wanneer het wordt verwarmd tot ongeveer 70°C, laat het los. Dan begint het opnieuw. Het is de kleine cyclus waar onderzoekers van de Universiteit van Kiel in Duitsland aan werken met een materiaal genaamd CAU-10-H: in tests kan het waterdamp opvangen, zelfs als de lucht tamelijk droog is, en, onder de bestudeerde omstandigheden, theoretisch ongeveer 1,8 liter water per dag produceren voor elke kilogram materiaal.
Het belangrijke woord is echter ‘theoretisch’. Het apparaat dat bij de experimenten werd gebruikt, weegt ongeveer 100 milligram, ongeveer hetzelfde als een kleine paperclip. De onderzoekers berekenden hoeveel water een veel groter systeem zou kunnen krijgen als het met dezelfde efficiëntie zou blijven werken. Voordat je een tank eronder zet en wacht tot deze gevuld is, zijn er dus nog een paar stappen over.
Hoe krijg je water uit iets dat droog lijkt?
Zelfs in de lucht die ons droog lijkt, is er water in de vorm van damp. Het probleem is dat we die moleculen kunnen vangen zonder meer energie te verbruiken dan het waard is.
CAU-10-H behoort tot de MOF-familie, i Metaal-organische raamwerken. We kunnen ons ze voorstellen als vaste stoffen, doorkruist door een enorme hoeveelheid microscopisch kleine tunnels. Ze hebben zoveel inwendig oppervlak dat watermoleculen aan de wanden van deze kleine poriën kunnen blijven plakken. Het lijkt een beetje op het hebben van een spons, behalve dat hier de “gaten” zich op moleculaire schaal bevinden en het water wordt geadsorbeerd, dat wil zeggen dat het aan de interne oppervlakken van het materiaal blijft plakken.
De in Kiel bestudeerde CAU-10-H begint al water op te vangen met een relatieve vochtigheid van ongeveer 18%. Bij verhitting tot ongeveer 70°C laten de moleculen los en kunnen ze worden teruggewonnen. Daarna kan het materiaal opnieuw worden gebruikt.
Het team heeft nog een onderdeel aan het mechanisme toegevoegd: geleidend koolstofschuim. In de praktijk wordt de MOF bovenop een structuur geplaatst die lucht doorlaat en die dankzij het zogenaamde Joule-effect snel kan opwarmen door elektrische stroom door te laten. Hetzelfde principe, zeer vereenvoudigd, waardoor een elektrische weerstand heet wordt.
De warmte dringt dus rechtstreeks in het materiaal in plaats van dat je het hele apparaat langzaam moet verwarmen. In tests verkortte deze oplossing de duur van de fase waarin het water vrijkomt met maar liefst 51%, waardoor volledige cycli van tussen de 46 en 178 minuten mogelijk zijn. Verwarming kan ook plaatsvinden door middel van licht.
Hoeveel kan hij werkelijk ophalen
Bij een relatieve luchtvochtigheid van 40% nam het composiet met CAU-10-H tot 0,17 gram water per gram materiaal op. Door de cyclus meerdere keren per dag te herhalen, berekenen de auteurs voor dit materiaal een potentiële productie van ongeveer 1,83 liter per kilogram per dag. Bij een relatieve luchtvochtigheid van 20% daalt deze naar ongeveer 1,05 liter.
In hetzelfde onderzoek werden ook twee andere MOF’s getest. Rekening houdend met de verschillende composieten bedraagt de theoretische productie bij actieve verwarming bij een luchtvochtigheid van 40% in totaal tussen de 1,5 en 2,2 liter per kilogram per dag. De beste onder de geteste personen was MOF-303, met ongeveer 2,18 liter.
Het is een nuttig onderscheid omdat het voorkomt dat een laboratoriumresultaat een draagbaar aquaduct wordt. Dezelfde auteurs schrijven dat de overstap van apparaten van 100 milligram naar grote systemen nog steeds een projectie is die gebaseerd is op lineaire schaalvergroting. We moeten nagaan wat er gebeurt als de grootte, de luchtstroom, de condensatie en de effectieve wateropvang toenemen.
Zelfs de definitie van ‘drinkwater’ moet met enige zorg worden gehanteerd. De Universiteit van Kiel geeft de productie van drinkwater aan als het doel van de technologie, vooral voor droge en mediterrane gebieden. De gepubliceerde experimenten meten echter vooral hoeveel damp wordt opgevangen en hoe snel deze vrijkomt. Om bij het glas te komen heb je dan een condensatiesysteem nodig en controles op de kwaliteit van het geproduceerde water.
Nu hebben ze bijna 30 kilo geproduceerd
Het andere interessante resultaat komt voort uit kwantiteit. CAU-10-H was al zo’n vijftien jaar bekend, maar een paar gram produceren in het laboratorium en genoeg maken om een auto te bouwen zijn twee heel verschillende sporten.
In een tweede studie gepubliceerd in Industrieel en technisch scheikundig onderzoekgebruikte het team onder leiding van Kalle Mertin een proefreactor van 750 liter en verkreeg 27,5 kilogram droge CAU-10-H, met een opbrengst van ongeveer 88%. Het is de eerste productie van het materiaal op deze schaal.
Vervolgens probeerden de onderzoekers een toekomstige fabriek te berekenen. In een scenario van 1.000 ton per jaar schatten ze de productiekosten op ongeveer $13,8 per kilogram, op basis van de prijzen van 2022. Met een efficiënter proces en terugwinning van oplosmiddelen daalt de schatting naar ongeveer $ 12,1. Dit zijn economische berekeningen gebaseerd op een hypothetisch systeem, en dus nog ver verwijderd van de prijs die een commercieel product zou kunnen hebben.
De sprong blijft echter opmerkelijk: het materiaal ging van kleine laboratoriummonsters naar tientallen kilogrammen. Voor een technologie die geacht wordt per kilo en ton te werken, zijn het soort niet-spectaculaire details die er veel toe doen.
En hoewel het water krijgt, kan het ook helpen bij koud weer
CAU-10-H heeft dan een tweede mogelijke levensduur, schijnbaar losgekoppeld van de eerste: hij kan worden gebruikt in adsorptiekoelsystemen.
Deze machines maken gebruik van het feit dat een materiaal water opvangt en vrijgeeft als de temperatuur varieert. Door de cyclus kan warmte worden overgedragen en dus koeling worden geproduceerd. Een van de interessante onderdelen is dat je hiervoor warmte kunt gebruiken die anders verloren zou gaan, bijvoorbeeld de warmte die wordt geproduceerd door bepaalde industriële processen, datacentra of zelfs bakkerijovens.
In door de onderzoekers gepubliceerde simulaties behaalde CAU-10-H onder bepaalde omstandigheden een koelprestatie die tot drie keer zo hoog was als die van silicagel en ongeveer het dubbele van die van SAPO-34, een ander referentiemateriaal. Het voordeel hangt echter af van het type systeem en de bedrijfsomstandigheden: het betekent niet dat elke airconditioner die met deze MOF is gebouwd automatisch een derde van de energie verbruikt.
Dit maakt de twee onderzoeken interessant als ze naast elkaar worden geplaatst. Aan de ene kant is er een materiaal dat erin slaagt watermoleculen die in de lucht verspreid zijn, op te nemen en bij verhitting terug te sturen. Aan de andere kant is er eindelijk genoeg materiaal om je af te vragen wat er buiten een reageerbuis gebeurt.
Voorlopig is er geen kraan in de woestijn. Er zit echter 27,5 kilo van die vreemde ‘spons’ waar er voorheen veel minder waren. En als je probeert een technologie van het laboratorium naar de echte wereld te brengen, is gewicht ook van belang.
