Acqua dove serve

Cody Friesen, PhD '04, ha inventato pannelli che raccolgono l'acqua dall'aria, anche nell'arida Arizona. E questo dopo aver capito come realizzare batterie ricaricabili ad alta energia che siano economiche ed ecologiche. Art Holeman

Nel 2018, Cody Friesen, PhD '04, ha camminato attraverso la boscaglia nella Rift Valley in Kenya per comprendere i pericoli che le ragazze della Samburu Girls Foundation hanno dovuto affrontare quando sono uscite per raccogliere l'acqua.

Ogni giorno, le ragazze che vivevano presso l'organizzazione di soccorso dovevano camminare per due miglia - spesso superando uomini che le vedono come proprietà - fino all'acqua più vicina in una terra dove l'ultimo decennio era stato segnato da una violenta siccità.

Lì, sulle sponde fangose ​​di un fiume crivellato di colera, Friesen vide le tracce di iene e uomini, ricordi di ciò che avrebbe potuto aspettare una ragazza che si fosse soffermata.

La scena ha anche ricordato che circa 2,2 miliardi di persone nel mondo non hanno acqua potabile sicura, comprese queste vulnerabili ragazze keniote a 200 miglia a nord di Nairobi.

Friesen ha eliminato quel viaggio quotidiano verso il fiume installando una serie di 40 dispositivi simili a pannelli solari sul terreno della fondazione. Ha progettato il dispositivo, che chiama Source Hydropanel, per estrarre l'acqua dall'aria, alimentato solo dall'energia solare. Ha risolto la crisi della sicurezza idrica nel rifugio delle ragazze keniote e Friesen afferma che il suo dispositivo può fare lo stesso per le persone in tutto il mondo che non hanno accesso all'acqua potabile pulita.

I residenti di Bahia Hondita nella penisola di La Guajira in Colombia ora ottengono l'acqua da una serie di pannelli idrografici Source invece di fare affidamento sull'acqua salmastra di un pozzo locale.

MASSA ZERO ACQUA

Friesen si interessò per la prima volta all'acqua crescendo in quelli che allora erano sobborghi relativamente rurali a sud-est di Phoenix. Da bambino che faceva un'escursione nel deserto, facevamo sempre un'escursione in uno specchio d'acqua come un ruscello o una sorgente, dice. Fin dalla tenera età, apprezzare l'importanza e il significato dell'acqua era solo una parte della mia vita. Era anche sempre stato curioso di sapere come funzionavano le cose, il tipo di ragazzo che smontava la nuova macchinina la mattina di Natale e la faceva rimontare all'ora di pranzo. Quindi, da adolescente che incontrava i boschi di pioppi neri americani e le sorgenti naturali durante le escursioni, non solo rifletteva sul valore dell'acqua, ma pensava anche alle infrastrutture che l'hanno portata dal fiume Colorado alla metropolitana di Phoenix. Ha pensato che ci fosse un'alternativa migliore alla soluzione esistente: arginare uno dei fiumi più potenti del Nord America e pomparne l'acqua per centinaia di miglia.

Quando ha iniziato all'Arizona State University come studente universitario, ha gravitato sulla scienza dei materiali, che chiama una tripletta di fisica, chimica e ingegneria meccanica. La sua ricerca di dottorato al MIT si è concentrata sulle proprietà dei film metallici sottili e sulla meccanica quantistica della catalisi correlata alle celle a combustibile. Dopo aver conseguito il dottorato di ricerca nel 2004, è tornato all'ASU, unendosi alla facoltà di scienze dei materiali presso le Ira A. Fulton Schools of Engineering.

Nel suo nuovo laboratorio presso l'ASU, ha rivolto la sua attenzione alla costruzione di una batteria migliore. In tre anni, Friesen aveva creato una batteria zinco-aria ricaricabile e aveva fondato una startup chiamata Fluidic Energy per commercializzarla. Lo ha seguito con il suo hydropanel water-from-air e nel 2014 ha lanciato la sua seconda impresa, Zero Mass Water, per raffinarla, produrla e distribuirla.

Friesen descrive origini e percorsi di scoperta simili per ciascuno. In entrambi i casi, ha iniziato cercando di capire e poi riformulare i problemi del quadro generale. Ha quindi cercato modi per affrontarli utilizzando materiali più adatti alle particolari sfide chimiche e fisiche in questione. È un approccio che secondo lui è stato instillato al MIT, dove le persone si concentrano su sfide difficili e pensano costantemente a come hackerare insieme nuove soluzioni, dice.

La batteria zinco-aria ha avuto la sua genesi quando Friesen ha guardato la tavola periodica e ha chiesto quale sarebbe stata la batteria più economica possibile. Ciò lo ha portato a pensare all'ossigeno nell'aria come al catodo e allo zinco metallico come all'anodo. Le batterie zinco-aria esistevano da circa 100 anni, ma nessuno sapeva come ricaricarle. Scaricano l'energia immagazzinata nello zinco esponendola all'ossigeno dell'aria, creando ossido di zinco e rilasciando elettroni. Ma la ricarica della batteria provoca la formazione di cristalli appuntiti, o dendriti, di zinco sulla superficie dell'anodo, rendendo impossibile ricaricarlo più di un paio di volte. Per aggirare il problema dei dendriti, Friesen ha creato un'impalcatura di nichel a strati con una serie di fori di varie dimensioni; gli strati sono caratterizzati da differenti proprietà elettriche. Lo zinco viene placcato sull'impalcatura, che quindi funge da anodo poroso, e una miscela di idrossido di potassio e additivi a base di liquidi ionici funge da elettrolita. Quando l'elettrolita passa attraverso l'anodo durante la carica e la scarica, questa miscela lavora con i pori e la struttura a strati per impedire la formazione e l'accumulo di dendriti. Di conseguenza, le batterie possono essere ricaricate ripetutamente e sono progettate per durare più di 10 anni.

Il dispositivo ha spuntato tutte le caselle. È stato costruito con materie prime economiche, non tossiche e ampiamente disponibili. E potrebbe immagazzinare più energia di una batteria agli ioni di litio a un costo molto inferiore, potenzialmente per un minimo di $ 10 per kilowattora su larga scala.

Le batterie di Friesen potrebbero mantenere la carica per 12 ore o più durante i blackout prolungati. Nelle aree senza accesso alla rete, potrebbero essere caricati da pannelli solari e utilizzati per fornire energia. L'invenzione ha spinto il MIT Technology Review a includerlo nell'elenco TR35 del 2009 che riconosce gli eccezionali innovatori sotto i 35 anni.

Nel 2018, Fluidic Energy è stata acquistata dal chirurgo e imprenditore medico Patrick Soon-Shiong ed è diventata NantEnergy. La società afferma di aver fornito energia a 200.000 persone nell'Africa rurale e cita un progetto dimostrativo in Madagascar, dove tre quarti della popolazione non dispone di elettricità. Sebbene lo scorso autunno abbia licenziato metà della sua forza lavoro, NantEnergy ha riferito di aver installato 3.000 sistemi in nove paesi l'anno scorso e afferma che, nel complesso, ha fornito alimentazione di riserva durante oltre un milione di ore di blackout prolungati.

Mentre la batteria zinco-aria si stava spostando dal laboratorio al mercato, Friesen stava già lavorando alla sua prossima grande sfida. Dal 2010 desiderava sviluppare un dispositivo in grado di produrre acqua pulita dove è necessario e utilizzare solo risorse liberamente disponibili ed energia rinnovabile per farlo.

Si rese conto che c'è molta umidità nell'aria. La sfida era come estrarla e distribuirla in modo efficiente. Nel 2014, Friesen stava mettendo a punto un prototipo funzionante nel suo laboratorio ASU a Tempe.

Oggi, l'idropannello Source si presenta come uno spesso pannello solare che misura otto piedi per quattro piedi per cinque pollici in cima a una base con un serbatoio; tutto sommato è alto circa tre piedi e pesa circa 300 libbre. Il dispositivo utilizza ventole a energia solare per aspirare l'aria all'interno, dove il vapore acqueo viene adsorbito su un materiale igroscopico proprietario, un essiccante che Friesen ha progettato su scala nanometrica per massimizzare la sua capacità di attrarre l'acqua senza compromettere la sua capacità di rilasciare l'acqua che si raccoglie sulla sua superficie. superficie. Il calore catturato dai pannelli solari termici del dispositivo aumenta la pressione del vapore dell'acqua, provocando il rilascio del materiale igroscopico. Ciò aumenta l'umidità specifica del vapore acqueo all'interno del dispositivo, elevando il punto di rugiada al di sopra della temperatura ambiente, quindi non è necessario raffreddare il vapore per farlo condensare, anche in ambienti aridi. Friesen chiama questo processo condensazione passiva. Da lì, l'acqua si accumula in un serbatoio da 30 litri alla base del dispositivo. L'acqua nuova viene ripetutamente aspirata e rilasciata dai materiali igroscopici molte volte al giorno.

Il materiale igroscopico attira efficacemente solo le molecole d'acqua, quindi i processi combinati di adsorbimento e condensazione passiva forniscono costantemente acqua di elevata purezza. In teoria, anche l'acqua raccolta dall'aria inquinata è pura, afferma Friesen, che aggiunge che tutte le misurazioni dell'azienda fino ad oggi lo confermano. L'acqua nel serbatoio viene regolarmente trattata con ozono per prevenire la crescita di microbi e, prima di raggiungere un erogatore, passa attraverso cartucce di calcio e magnesio per migliorarne il gusto.

I sensori ad energia solare aiutano a ottimizzare le prestazioni dell'hydropanel misurando la temperatura dell'aria ambiente, l'intensità solare e l'umidità relativa, inserendo tali dati in un algoritmo che controlla dinamicamente la velocità con cui le ventole aspirano aria nel dispositivo. I trasmettitori wireless ad energia solare inviano anche dati in tempo reale a un database cloud, consentendo a Zero Mass Water di monitorare tutti i pannelli installati. Il centro operativo di rete dell'azienda può solitamente risolvere problemi funzionali con comandi e programmazione over-the-air; se viene rilevato un problema di manutenzione, il centro può rivolgersi ai partner locali per risolverlo.

Friesen afferma che il risultato finale della ricerca non dovrebbe essere una pubblicazione. Il mondo accademico riguarda la creazione di nuove conoscenze e la traduzione di tali conoscenze in applicazioni pratiche.

Ogni hydropanel può generare fino a cinque litri di acqua potabile al giorno, a seconda della copertura nuvolosa e dell'umidità. In luoghi con luce solare limitata o bassa umidità, i pannelli sono meno efficienti. Ma Friesen dice che le due unità sul tetto della sua casa in Arizona forniscono acqua potabile a sufficienza per la sua famiglia di quattro persone più due Weimaraner, in un luogo con una media di 110 giorni di temperature a tre cifre e più di sette mesi di umidità a una cifra. L'acqua non può essere prodotta in condizioni di gelo, tuttavia, limitando l'utilità degli hydropanel nei climi invernali.

Zero Mass Water è nato nel 2014 in un'ex concessionaria Volvo. Alla fine dello scorso anno, i lavoratori stavano appendendo cartelli all'ingresso di una nuova sede, un edificio industriale nascosto a poche miglia a sud a Tempe. L'azienda ha raccolto 65 milioni di dollari in capitale di rischio e ha installato pannelli in 37 paesi, sia nelle giungle che nei deserti. I panel delle fonti hanno fornito acqua in uffici governativi, hotel, ospedali, scuole e ristoranti, nonché nei campi profughi siriani, a Porto Rico sulla scia dell'uragano Maria e per la fondazione femminile in Kenya.

Ma i dispositivi sono costosi; ogni hydropanel costa $ 2.500 e l'installazione di una serie di due può costare fino a $ 6.500. Per fare progressi verso la sua visione di fornire acqua a ogni persona in ogni luogo, Friesen dovrà ridurre i costi. (Ad oggi, molte installazioni sono state finanziate da sovvenzioni di governi, fondazioni e ONG.) Nel frattempo, ha recentemente annunciato che l'azienda sta lanciando un'unità di mezza taglia con un ingombro più facile da integrare con i pannelli solari residenziali. Ci sono voluti decenni per il solare fotovoltaico per arrivare dove è ora con efficienza economica e prestazionale, dice. In soli cinque anni, siamo riusciti a rispecchiare questa crescita e siamo sulla buona strada per rendere accessibile l'acqua della sorgente su una linea temporale significativamente ridotta.

Zero Mass Water occupa la maggior parte del tempo di Friesen in questi giorni, ma rimane professore associato part-time e scienziato senior della sostenibilità presso l'istituto di sostenibilità dell'ASU.

Friesen, che ha servito due mandati nello US Manufacturing Council durante l'amministrazione Obama, ha ottenuto fino ad oggi 63 brevetti e lo scorso autunno ha vinto il Premio Lemelson-MIT 2019 per l'invenzione. Il premio di $ 500.000, che onora gli inventori il cui lavoro promette di migliorare il mondo, riflette il suo lavoro sia sulla batteria zinco-aria che sull'idropannello. Mi pizzico ancora, dice Friesen, che sta usando la maggior parte del montepremi per installare i suoi pannelli idroelettrici a Bahia Hondita, un villaggio colombiano che deve affrontare una grave carenza di acqua potabile. Ha scelto il luogo dell'installazione chiamando un amico di Conservation International e chiedendogli quale posto avesse più bisogno di aiuto.

Gary Dirks, il direttore senior del Global Futures Lab dell'ASU, non è sorpreso da come il suo collega stia spendendo il suo premio in denaro, dato che Friesen ha anche istituito borse di studio per sostenere i giovani imprenditori dell'università. I due si sono incontrati quando Friesen stava testando la versione beta dell'hydropanel e Dirks ha accettato di indirizzare i fondi della sovvenzione nel progetto. È un astuto imprenditore seriale e un inventore seriale. È quello che gli piace fare e gli piace affrontare cose davvero grandi, dice Dirks, che descrive Friesen come un uomo in missione.

Il risultato finale [della ricerca] non dovrebbe essere una pubblicazione, dice Friesen. Il mondo accademico riguarda la creazione di nuove conoscenze e sulla traduzione di quella conoscenza: il suo viaggio fuori dal laboratorio verso applicazioni pratiche che possono migliorare la vita delle persone.

Questo non è il ben preparato e raffinato venditore che parla, dice Dirks: è motivato dai grandi problemi del mondo.

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