Perangkat Pertama yang Mengekstraksi Air dari Udara Tipis

Insinyur Utah, yang didanai oleh Angkatan Darat, telah mengembangkan perangkat yang memanen air dari atmosfer, bahkan di lokasi kering.

Para peneliti di Universitas Utah telah meluncurkan perangkat kompak untuk pemanenan air atmosfer yang secara efisien mengekstraksi air dari udara menggunakan proses pembakaran bahan bakar, yang menjanjikan untuk meringankan kekurangan air international.

Atmosfer Bumi mengandung sejumlah besar air, cukup untuk mengisi Nice Salt Lake di Utah sebanyak 800 kali. Mengekstraksi sebagian air ini dianggap sebagai solusi yang menjanjikan untuk menyediakan air minum bersih bagi miliaran orang di seluruh dunia yang menghadapi kekurangan air kronis.

Teknologi yang ada untuk pemanenan air atmosfer (AWH) dibebani dengan berbagai kelemahan yang terkait dengan ukuran, biaya, dan efisiensi. Namun, penelitian baru dari para peneliti teknik Universitas Utah telah menghasilkan wawasan yang dapat meningkatkan efisiensi dan membawa dunia selangkah lebih dekat untuk memanfaatkan udara sebagai sumber air untuk memasak di tempat-tempat kering.

Studi ini mengungkap perangkat AWH berbahan bakar siklus cepat kompak pertama di dunia. Prototipe dua langkah ini mengandalkan bahan penyerap yang menarik molekul air dari udara yang tidak lembap, lalu menerapkan panas untuk melepaskan molekul tersebut ke dalam bentuk cair, menurut Sameer Rao, penulis senior studi yang dipublikasikan dalam jurnal Laporan Sel Ilmu fisika dan asisten profesor teknik mesin.

“Bahan higroskopis secara intrinsik memiliki afinitas terhadap air. Bahan tersebut menyerap air ke mana pun Anda pergi. Salah satu contoh terbaik adalah bahan yang ada di dalam popok,” kata Rao, yang kebetulan adalah ayah dari seorang bayi laki-laki. “Kami bekerja dengan jenis bahan higroskopis tertentu yang disebut rangka logam-organik.”

Insinyur mekanik Nathan Ortiz, kiri, dan Profesor Sameer Rao menjelaskan perangkat yang mereka kembangkan untuk mengambil air tawar dari atmosfer. Kredit: Dan Hixson

Rao menyamakan kerangka logam-organik dengan balok Lego, yang dapat disusun ulang untuk membangun berbagai macam struktur. Dalam hal ini, balok-balok tersebut disusun untuk menciptakan molekul yang perfect untuk pemisahan gasoline.

“Mereka dapat membuatnya khusus untuk menyerap uap air dari udara dan tidak ada yang lain. Mereka benar-benar selektif,” kata Rao. Dikembangkan bersama mahasiswa pascasarjana Nathan Ortiz, penulis utama studi ini, prototipe ini menggunakan aluminium fumarat yang dibentuk menjadi panel yang menampung air saat udara disedot masuk.

“Molekul air itu sendiri terperangkap di permukaan materials kami, dan itu adalah proses yang dapat dibalik. Jadi, alih-alih tertanam ke dalam materials itu sendiri, molekul air itu menempel di dinding,” kata Ortiz. “Yang istimewa dari materials penyerap ini adalah mereka memiliki luas permukaan inside yang sangat besar. Ada begitu banyak tempat bagi molekul air untuk terjebak.”

Menurut Rao, satu gram materials ini saja memiliki luas permukaan yang sama dengan dua lapangan sepak bola. Jadi, sedikit materials saja dapat menangkap banyak air.

Rincian Teknologi dan Aplikasi Militer

“Semua luas permukaan ini berada pada skala molekuler,” kata Rao. “Dan itu luar biasa bagi kami karena kami ingin menjebak uap air ke space permukaan tersebut di dalam pori-pori materials ini.”

Pendanaan untuk penelitian ini berasal dari DEVCOM Soldier Middle, sebuah program yang dijalankan oleh Departemen Pertahanan untuk memfasilitasi switch teknologi yang mendukung modernisasi Angkatan Darat. Ketertarikan Angkatan Darat terhadap proyek ini berasal dari kebutuhan untuk menjaga agar prajurit tetap terhidrasi saat beroperasi di daerah terpencil dengan sedikit sumber air.

“Kami secara khusus meneliti hal ini untuk aplikasi pertahanan sehingga para prajurit memiliki unit pembangkit air yang kecil dan ringkas dan tidak perlu membawa botol air besar,” kata Rao. “Ini benar-benar akan menghasilkan air sesuai permintaan.”

Rao dan Ortiz telah mengajukan paten pendahuluan berdasarkan teknologi tersebut, yang juga ditujukan untuk kebutuhan nonmiliter.

“Saat kami merancang sistem tersebut, saya rasa kami juga memiliki perspektif tentang masalah air yang lebih luas. Ini bukan sekadar masalah pertahanan, ini lebih merupakan masalah sipil,” kata Rao. “Kami berpikir dalam hal konsumsi air rumah tangga untuk air minum per hari. Itu sekitar 15 hingga 20 liter per hari.”

Dalam pembuktian konsep ini, prototipe tersebut mencapai targetnya untuk memproduksi 5 liter air per hari per kilogram bahan penyerap. Dalam waktu tiga hari di lapangan, perangkat ini akan mengungguli air kemasan, menurut Ortiz.

Pada langkah kedua, air diendapkan menjadi cairan dengan memanaskannya menggunakan kompor berkemah standar milik Angkatan Darat. Hal ini berhasil karena proses pengumpulan airnya bersifat eksotermik.

“Saat mengumpulkan air, ia melepaskan sedikit panas. Lalu untuk membalikkannya, kami menambahkan panas,” kata Ortiz. “Kami tinggal menaruh api di bawah sini, apa saja untuk menaikkan suhu ini. Lalu saat suhu meningkat, kami melepaskan molekul air dengan cepat. Begitu aliran udara benar-benar lembap, kondensasi pada suhu sekitar jadi lebih mudah.”

Teknologi baru berlimpah untuk pemanenan air atmosfer, yang lebih mudah dilakukan saat udara lembap, tetapi belum ada yang menghasilkan peralatan yang dapat digunakan secara praktis di lingkungan kering. Ortiz yakin perangkatnya dapat menjadi yang pertama, terutama karena menggunakan bahan bakar padat energi seperti bensin putih yang digunakan dalam kompor berkemah.

Tim memutuskan untuk tidak menggunakan fotovoltaik.

“Jika Anda bergantung pada panel surya, Anda terbatas pada pengoperasian di siang hari atau Anda memerlukan baterai, yang berarti lebih berat. Anda terus menghadapi tantangan. Itu menghabiskan banyak ruang,” kata Ortiz. “Teknologi ini lebih unggul dalam kondisi kering, sementara pendinginan paling baik dalam kelembapan tinggi.”

Referensi: “Perangkat pemanenan air atmosfer berbahan bakar siklus cepat yang ringkas untuk produksi air sepanjang hari” oleh Nathan P. Ortiz dan Sameer R. Rao, 22 Juli 2024, Laporan Sel Ilmu Fisika.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102115

Penelitian ini didanai oleh Laboratorium Penelitian Angkatan Darat DEVCOM dan Yayasan Sains Nasional AS.