MIT 초음파 기술은 몇 분 만에 공기에서 식수를 끌어옵니다.

포획된 물을 추출하는 데에는 일반적으로 열이 필요하고 오랜 기다림이 필요합니다. 대부분의 최신 시스템은 갇힌 수분이 증발하여 액체로 응축될 때까지 햇빛에 의존하여 이러한 물질을 따뜻하게 합니다. 이 느린 단계는 몇 시간이 걸릴 수도 있고 며칠이 걸릴 수도 있습니다.

MIT 엔지니어들은 이제 이 물을 회수하는 훨씬 빠른 방법을 확인했습니다. 태양열 가열에 의존하는 대신 팀은 수분을 느슨하게 흔드는 초음파 진동을 사용합니다.

초음파 진동은 더 빠른 대안을 제공합니다

연구진은 빠르게 진동하는 고주파 초음파 장치를 만들었습니다. 물을 흡수하는 물질 또는 “흡수제”가 장치 위에 놓이면 물 분자를 제자리에 고정시키는 결합을 끊도록 조정된 초음파를 보냅니다. 그들의 테스트에 따르면 이 접근 방식은 몇 분 안에 물을 배출하는 반면, 열 구동 시스템은 일반적으로 수십 분 또는 몇 시간이 소요되는 것으로 나타났습니다.

열을 사용하지 않기 때문에 장치에는 전원이 필요합니다. 연구팀은 작은 태양전지가 전기를 공급할 수 있고 물질이 포화되는 시기를 감지하는 센서 역할도 할 수 있다고 제안했다. 충분한 물이 축적될 때마다 시스템이 자동으로 활성화되도록 설정할 수도 있습니다. 이러한 자동화를 통해 하루 종일 반복적으로 물을 수집하고 방출할 수 있습니다.

실용적인 공대지 시스템을 향한 한 걸음

MIT 기계공학과의 수석 연구 과학자인 스베틀라나 보리스키나(Svetlana Boriskina)는 “사람들은 대기 중에서 물을 수확하는 방법을 찾고 있었는데, 이는 특히 사막 지역과 담수화할 바닷물조차 없는 곳에서 큰 물 공급원이 될 수 있습니다”라고 말했습니다. “이제 우리는 빠르고 효율적으로 물을 회수할 수 있는 방법을 갖게 되었습니다.”

Boriskina와 그녀의 공동저자들은 11월 18일에 발표된 연구에서 장치를 설명합니다. 네이처커뮤니케이션즈. 이 논문은 Carlos Díaz-Marín, Marvin Christen, Michael Lherbette 및 Christopher Liem과 함께 미디어 예술 및 과학 분야의 MIT 대학원생인 제1저자 Ikra Iftekhar Shuvo가 주도했습니다.

대기 중 물 수확 개선

Boriskina의 연구 그룹은 혁신적인 방식으로 환경 조건과 상호 작용하는 재료를 개발합니다. 최근 그들은 대기 중 물 수확(AWH)과 공기 중 수분을 효율적으로 끌어들이도록 재료를 조작하는 방법을 탐구했습니다. 장기적인 목표는 담수와 해수 공급이 모두 부족한 지역사회에 신뢰할 수 있는 식수원을 제공하는 것입니다.

다른 많은 팀과 마찬가지로 그들은 처음에 옥외에 배치된 AWH 시스템이 밤새 습기를 흡수한 다음 낮 동안 햇빛에 의존하여 증발과 응결을 통해 습기를 방출할 것이라고 가정했습니다.

“물을 잡는 데 아주 좋은 물질은 그 물과 헤어지기를 원하지 않습니다”라고 Boriskina는 설명합니다. “그래서 재료에서 물을 끌어내는 데 많은 에너지와 귀중한 시간을 투자해야 합니다.”

초음파 연구가 촉발한 새로운 방향

더 빠른 방법에 대한 아이디어는 Ikra Shuvo가 그룹에 합류한 후에 나타났습니다. Shuvo는 웨어러블 의료 기기용 초음파를 사용해 왔으며 Boriskina와 논의하는 동안 초음파 진동이 대기 중 물 수확에서 물 방출 단계를 극적으로 가속화할 수 있다는 것을 깨달았습니다.

“찰칵 소리가 났습니다. 해결하려는 큰 문제가 있는데 이제 Ikra가 이 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 도구를 갖춘 것 같았습니다.”라고 Boriskina는 회상합니다.

초음파가 물을 흔드는 방법

초음파는 20킬로헤르츠(초당 20,000사이클)를 초과하는 음압파를 말합니다. 이러한 고주파수 파동은 인간에게 보이지도, 들리지도 않습니다. 연구팀은 올바른 주파수에서 초음파가 물 분자를 흔들어 물 분자를 붙잡고 있는 물질로부터 분리할 수 있다는 사실을 발견했습니다.

“초음파를 사용하면 물 분자와 물 분자가 앉아 있는 부위 사이의 약한 결합을 정확하게 끊을 수 있습니다.”라고 Shuvo는 말합니다. “물이 파도와 함께 춤추는 것과 같습니다. 이러한 표적화된 교란은 물 분자를 방출하는 추진력을 생성하며, 우리는 물 분자가 물방울 속에서 흔들리는 것을 볼 수 있습니다.”

고주파 액추에이터 설계

Shuvo와 Boriskina는 대기 중 물 수확을 위해 특별히 초음파 액추에이터를 제작했습니다. 그 중심에는 전압이 가해질 때 진동하는 평평한 세라믹 링이 있습니다. 그 주위에는 작은 노즐이 들어 있는 또 다른 링이 있습니다. 물방울이 흔들리면 노즐을 통해 진동 링 위와 아래에 위치한 수집 용기로 떨어집니다.

팀은 이전에 개발된 AWH 재료를 사용하여 장치를 테스트했습니다. 그들은 각 샘플이 완전히 포화될 때까지 다양한 습도 수준의 습도 챔버에 작은 1/4 크기의 흡착제 조각을 배치했습니다. 그런 다음 각 샘플을 액츄에이터에 놓고 초음파 주파수로 진동시켰습니다. 모든 테스트에서 액추에이터는 몇 분 내에 재료를 건조시킬 만큼 충분한 수분을 방출했습니다.

효율성 향상 및 실질적인 잠재력

연구진은 동일한 물질에서 물을 추출할 때 초음파 방법이 태양열에 의존하는 것보다 45배 더 효율적이라고 추정합니다.

“이 장치의 장점은 완전히 보완적이며 거의 모든 흡착제에 추가 기능이 될 수 있다는 것입니다.”라고 Boriskina는 말합니다. 그녀는 각각 대략 창문 크기의 초음파 작동기와 쌍을 이루는 빠르게 흡수되는 재료를 사용하는 가정용 시스템을 상상합니다. 물질이 포화되면 액추에이터는 태양 전지의 전력을 사용하여 잠시 활성화되고 물을 흔들어 낸 다음 다른 주기로 재설정됩니다.

“하루에 얼마나 많은 물을 추출할 수 있는지가 관건입니다.”라고 그녀는 말합니다. “초음파를 사용하면 물을 빠르게 회수하고 계속해서 순환할 수 있습니다. 하루에 많은 양이 추가될 수 있습니다.”

이 연구는 부분적으로 MIT Abdul Latif Jameel 수자원 및 식품 시스템 연구소와 MIT-이스라엘 Zuckerman STEM 기금의 지원을 받았습니다.