Material Baru Dikembangkan untuk Mengekstrak Air Secara Pasif dari Udara
(blog.seas.upenn.edu)- Peneliti Penn Engineering menemukan keluarga material berstruktur nano yang, tanpa energi eksternal, mengumpulkan uap air dari udara ke dalam pori-pori lalu melepaskannya sebagai tetesan air di permukaan
- Kuncinya adalah struktur nanopori amfifilik yang menggabungkan nanopori hidrofilik dan polimer hidrofobik, sehingga kondensasi kapiler terjadi di dalam pori bahkan pada kelembapan rendah
- Berbeda dari material nanopori biasa, air tidak menetap di dalam pori tetapi bergerak ke permukaan, dan semakin tebal membrannya, semakin banyak air yang terkumpul
- Berlawanan dengan prediksi bahwa tetesan air di permukaan akan cepat menguap, tetesan tersebut bertahan lama; hal ini ditafsirkan sebagai struktur tempat reservoir tersembunyi di bawah pori terus diisi ulang oleh uap air di udara
- Teknologi ini dapat berkembang menjadi pengumpulan air pasif di wilayah kering, permukaan pendingin untuk perangkat elektronik dan bangunan, serta smart coating yang merespons kelembapan, tetapi optimasi keseimbangan komponen dan penskalaan ke area besar masih perlu dilakukan
Penemuan yang Berawal dari Tetesan Air Tak Terduga
- Saat menguji kombinasi nanopori hidrofilik dan polimer hidrofobik di laboratorium teknik kimia Penn Engineering, tetesan air muncul di permukaan material eksperimen
- Tujuan awalnya bukan pengumpulan air, tetapi karena fenomena tak terduga ini berulang, para peneliti mulai menganalisis penyebabnya
- Studi yang diterbitkan di Science Advances membahas material nanopori amfifilik yang menangkap uap air dari udara dan melepaskannya ke permukaan
- Tim peneliti mencakup Daeyeon Lee dan Amish Patel dari Penn Engineering, Baekmin Kim, peneliti pascadoktoral di lab Lee, serta Stefan Guldin dari Technical University of Munich
Prinsip Kerja Mengumpulkan Air Tanpa Pendinginan
- Kondensasi permukaan pada umumnya memerlukan penurunan suhu atau kelembapan yang sangat tinggi
- Metode pemanenan air yang ada juga sering bergantung pada input energi untuk mendinginkan permukaan, atau pada kondisi lingkungan lembap yang membentuk kabut tebal
- Material ini memanfaatkan kondensasi kapiler alih-alih pendinginan
- Ini adalah proses ketika uap air mengembun di dalam pori yang sangat kecil bahkan pada kelembapan rendah
- Kondensasi kapiler itu sendiri bukan fenomena baru
- Perbedaannya adalah air yang terkondensasi tidak terperangkap di dalam pori, melainkan bergerak ke permukaan dan muncul sebagai tetesan air
Asal Internal yang Dikonfirmasi lewat Eksperimen Ketebalan Membran
- Awalnya, para peneliti mempertimbangkan kemungkinan bahwa air hanya terkondensasi di permukaan akibat faktor perangkat seperti gradien suhu di laboratorium
- Untuk memastikan penyebabnya, mereka menambah ketebalan membran material dan memeriksa apakah jumlah air yang terkumpul di permukaan berubah
- Jika penyebabnya hanya kondensasi permukaan, ketebalan membran seharusnya tidak memengaruhi jumlah air
- Dalam praktiknya, semakin tebal membran, semakin besar total air yang terkumpul, sehingga menjadi bukti bahwa tetesan air di permukaan berasal dari dalam material
Tetesan Air yang Bertahan Lama dan Siklus Pengisian Ulang
- Jika dilihat hanya dari ukuran dan kelengkungannya, tetesan air seharusnya cepat menguap, tetapi dalam eksperimen tetesan tersebut tetap stabil untuk waktu lama
- Tim kolaborator eksternal juga berperan mengamati membran berpori dalam berbagai kondisi dan memastikan hasilnya dapat direproduksi
- Material ini menunjukkan sifat khusus berkat keseimbangan antara nanopartikel yang menarik air dan polyethylene, plastik yang menolak air
- Tetesan air di permukaan terhubung dengan reservoir tersembunyi di pori-pori bagian bawah
- Reservoir terus diisi ulang oleh uap air di udara
- Keseimbangan komponen hidrofilik dan hidrofobik memungkinkan loop umpan balik antara kondensasi dan pelepasan
Tantangan Ekspansi ke Pengumpulan Air Pasif dan Pendinginan
- Material ini dibuat dari polimer dan nanopartikel yang umum, dan keunggulannya adalah dapat menggunakan metode manufaktur yang dapat diskalakan
- Bidang penerapan potensialnya meliputi:
- Perangkat pengumpulan air pasif untuk wilayah kering
- Permukaan untuk mendinginkan perangkat elektronik atau bangunan
- Smart coating yang merespons kelembapan sekitar
- Para peneliti juga ingin memanfaatkan cara sel dan protein mengelola air di lingkungan kompleks untuk merancang material yang lebih baik
- Tahap berikutnya adalah mengoptimalkan keseimbangan komponen hidrofilik dan hidrofobik, melakukan scale-up untuk penggunaan nyata, serta meneliti cara agar tetesan air yang terkumpul dapat menggelinding turun dari permukaan secara efisien
- Dalam jangka panjang, teknologi ini dapat berkembang menjadi cara menyediakan air bersih di iklim kering hanya dengan memanfaatkan uap air di udara, atau menciptakan metode pendinginan yang lebih berkelanjutan
1 komentar
Komentar Hacker News
Penjelasan bahwa “material ini menarik air dari udara ke dalam pori-pori dan melepaskannya ke permukaan tanpa energi eksternal” terdengar mirip kantong penyerap kelembapan versi canggih
Produk seperti https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... menyerap air dari udara tak jenuh dengan kalsium klorida hingga membentuk tetesan kecil, tetapi setelah habis harus membeli yang baru atau merebusnya untuk memulihkan kristalnya
Pada material baru ini pun, tetesan air tetap menempel pada material sehingga dibutuhkan energi untuk melepaskannya. Air itu tidak akan jatuh begitu saja secara ajaib ke ember di bawah alat, jadi tidak mungkin “memanen” air tanpa energi. Bisa saja dilap dengan tisu, tetapi untuk mengeluarkan air dari tisu itu tetap perlu energi lagi
Ungkapan “material yang bahkan bisa melanggar hukum fisika” juga salah. Tim humas universitas dan jurnalis teknologi perlu mendapat pelatihan singkat untuk mengecek ulang kepada penulis dan juga mengonfirmasi ke pakar independen sebelum percaya bahwa hukum fisika telah dilanggar
Kalimat bermasalah dan judul yang menyesatkan itu berasal dari tulisan pihak universitas: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...
Memang benar ini tidak melanggar hukum fisika, dan tetap butuh energi untuk melepaskan tetesan air. Namun jika tetesan air bisa berpindah ke permukaan, energi yang dibutuhkan untuk pelepasannya tampaknya bisa jauh lebih rendah dibanding metode dehumidifikasi aktif seperti sambungan Peltier
https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
Pada dasarnya ini mendekati silika gel yang ditingkatkan
Jika melihat Gambar 4 dan gambar simulasi 3E, kondisi saat sesuatu mulai terjadi tampaknya adalah kelembapan relatif 97% dan itu pun setelah beberapa menit. Skalanya juga mikrometer
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Di rumah pun rasanya hampir bisa dicoba. Cukup larutkan sarung tangan poli ke dalam bubuk silika yang “freeze-dried”
Jika energi yang dibutuhkan rendah, ini bisa menjadi teknologi yang menarik
Mungkin bisa berguna jika digabungkan dengan permukaan penyerap atau sistem transfer berbasis kapiler, tetapi tampaknya ini masih menjadi pertanyaan terbuka
Dalam makalah aslinya (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349) tertulis, “Kecuali dinyatakan lain, semua pengukuran dilakukan pada 20° ± 0.2°C yang dipertahankan dengan sistem sirkulasi udara. Saat diperlukan, suhu film dikendalikan dengan perangkat pemanas/pendingin (THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK)”
Artinya, panas laten dibuang melalui perangkat pendingin, tetapi hal ini tampaknya tidak disebutkan secara gamblang agar terlihat lebih dramatis
Ini adalah udara yang sangat lembap tepat sebelum embun mulai terbentuk. Banyak orang terpaku pada ungkapan sensasional seperti “melanggar hukum fisika”, padahal ini lebih mirip peningkatan bertahap dari proses yang memang terjadi secara alami
Klaim intinya adalah tetesan air makroskopis muncul spontan dari uap tak jenuh, dan itu bukan fenomena yang diizinkan oleh hukum kedua termodinamika
Berdasarkan pemahaman saat ini, karena bisa bekerja pada suhu yang lebih tinggi dalam lingkungan dengan suhu sekitar yang cukup rendah, panas laten dapat dibuang lewat radiasi pasif. Bahkan jika memakai pompa kalor aktif, suhu yang lebih tinggi bisa meningkatkan efisiensi. Dalam sistem tertutup pada akhirnya akan tercapai kesetimbangan, tetapi tidak ada keharusan untuk mempertahankan sistem tertutup
Mungkin lapisan material ini bisa diletakkan di atas aluminium untuk menghantarkan panas laten, lalu dibuat menjadi perangkat yang terus menghasilkan air tanpa energi tambahan. Bayangkan sebuah “kubus” dengan kumpulan sirip dari material ini di tempat teduh dan wadah penampung di bawahnya. Akan menarik melihat setelah benar-benar dibuat, berapa liter per hari yang bisa diekstraksi dari udara sekitar dan dalam kondisi seperti apa
Perangkat semacam ini bisa sangat penting saat cuaca dengan suhu bola basah yang berbahaya bagi manusia karena suhu dan kandungan uap airnya. Jika ada perangkat pasif yang menyedot air dari udara tanpa energi, itu bisa menyelamatkan nyawa
Ruang di antara nanopartikel sebagian terisi plastik, dan rasio plastik terhadap partikel itulah fraksi volume poly-ethylene (ϕPE). Mereka menguji beberapa rasio dan mengatakan perilaku pembasahan muncul pada rentang tertentu
Secara eksperimen disebutkan bahwa bahkan pada kelembapan relatif 70% pun tetesan air kecil terbentuk di dalam material. Jika benar, ada harapan untuk mengekstrak tetesan air dengan energi yang sangat kecil. Misalnya dengan membuat titik koleksi terbuka pada film, atau memantulkan tetesan dengan ultrasonik agar bergabung, atau membuat film di atas material yang bisa jenuh oleh air sehingga tetesan baru mudah bergabung ke aliran
https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction
Kecuali ada petunjuk penting yang disembunyikan di suatu bagian makalah, klaim ini tampaknya tidak selaras dengan hukum kedua termodinamika
Mereka mengklaim air mengembun di atas nanomaterial pada suhu konstan dan kelembapan relatif di bawah 100%. Dalam termodinamika yang kita kenal, itu benar-benar tidak diperbolehkan. Dalam kondisi seperti ini, kondensasi bisa terjadi pada permukaan cekung di dalam pori, tetapi tetesan cembung di atas permukaan datar tidak bisa terbentuk
Penjelasan bahwa komponen hidrofobik “memeras” air ke permukaan juga tidak masuk akal. Kondensasi akan berhenti sebelum meluap. Agar air yang mengembun dalam pori cekung terdorong keluar menjadi tetesan cembung, tekanan hidrostatiknya harus sekaligus bernilai positif dan negatif
Penjelasan yang mungkin hanyalah 1) permukaan terkontaminasi 2) kesalahan kalibrasi kelembapan relatif 3) adanya pelat pendingin yang menjaga material lebih dingin daripada sekitarnya tetapi tidak disebutkan
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Uap air berdifusi ke dalam semua material, lalu menguap mengikuti tempat dengan tekanan uap yang lebih rendah. Itu juga alasan bibir terasa kering pada kelembapan relatif 40% dan lembap pada 70%
Yang dibicarakan adalah kondensasi, yaitu fenomena yang terjadi ketika udara menjadi lewat jenuh karena penurunan suhu, dan tampaknya di sini bukan itu kasusnya
Secara teori, mungkin saja ada material yang menyerap kelembapan tinggi dari udara, lalu melalui sifat mikroskopisnya mendorong pembentukan tetesan air, dan dengan bahan pasif seperti lapisan penghalang kelembapan pintar memisahkan tetesan itu dari udara untuk memanen air
Sesuatu yang basah akan menarik debu dan mikroorganisme. Jika ada debu dan air, mikroorganisme akan makin berkembang. Tak lama kemudian lumut kerak akan tumbuh
Diposting ulang empat hari lalu: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
Juga sangat berhasil membuatnya terdengar seperti melanggar termodinamika. Nyatanya tidak, dan dehumidifier sudah cukup baik mengekstrak air dari udara dibanding biaya energi yang harus dibayar. Jadi seharusnya ada nilai jual lain, tetapi tidak terlalu terlihat
Dehumidifier kondensasi biaya operasinya setara AC, menghasilkan panas yang tidak diinginkan, dan berisik. Dehumidifier desikan bahkan lebih rendah efisiensi energinya
Jika ada cara mengekstrak kelembapan dari udara dengan energi dan kebisingan yang lebih rendah, itu akan sangat besar artinya
Makalahnya menyatakan, “Yang mengejutkan, ketika PINF nanopori amfifilik ini dipaparkan pada kondisi sangat tak jenuh, yaitu kelembapan relatif (RH) < 100%, tetesan air makroskopis muncul secara spontan di permukaan film tanpa pendinginan.”
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
Pertama air didapatkan, lalu materialnya sedikit menghangat akibat proses itu, dan kemudian bisa didinginkan kembali secara pasif ke suhu sekitar
https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap
Saya berharap siaran persnya tidak memakai ungkapan seperti “menentang fisika”. Ini mungkin penemuan penting untuk kondensor air, tetapi mengklaim bahwa tidak dibutuhkan sumber energi eksternal terasa sangat ceroboh
Hampir pasti mereka tampaknya membuat semacam brownian ratchet: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
Orang suka mengklaim tidak ada sumber energi eksternal, tetapi kalau dilihat lebih dekat biasanya ada perbedaan panas-dingin, dan mempertahankan perbedaan itu memerlukan energi eksternal. Saya berani bertaruh besar bahwa materialnya lebih dingin daripada lingkungan, atau kelembapan yang masuk lebih hangat daripada lingkungan. Bisa juga ada perbedaan di dalam material, atau pencahayaan laboratorium memanaskan salah satu sisinya
Banyak perangkat pasif juga bergantung pada siklus suhu siang dan malam, tetapi itu pun energi yang masuk dari matahari
Artikelnya mengatakan mereka mencoba menyingkirkan gradien panas dengan menambah ketebalan material, tetapi saya tidak paham mengapa itu dianggap menyingkirkan gradien. Gradiennya masih bisa tetap ada
Jika mereka memang tidak sengaja memasok energi, kemungkinan ini sangat efisien, dan itu tetap akan menjadi hal besar dan penting. Hanya saja saya tidak suka bahwa demi menarik perhatian publik, rasanya harus dipasarkan seolah mesin gerak abadi
Ini memang tulisan blog jadi saya tidak mengharapkan tingkat ketelitian seperti makalah peer-review, tetapi pada akhirnya tetap merugikan sains. Keyakinan bahwa ada material ajaib yang akan melanggar hukum kedua termodinamika lebih dekat ke alkimia daripada kimia
Dengan asumsi suhu dan kelembapan mereka kendalikan, materialnya seharusnya menjadi lebih panas, dan ini tampaknya bisa diatasi secara pasif dengan heatsink. Jika penjelasan mereka benar, ini perkara yang cukup besar, dan memang terdengar masuk akal
Cukup keren. Pada dasarnya ini menggeser perbedaan termodinamika yang dibutuhkan untuk siklus kondensasi-penguapan dari pengaturan iklim ke pengaturan material
Bagaimana kalau nanti ukuran porinya bisa diprogram? Keseimbangan masuk/keluar reservoir bisa diubah saat dibutuhkan. Bisa dibayangkan pakaian pintar: saat panas pori-porinya diperbesar agar air keluar, saat dingin pori-porinya diperkecil agar air tidak mudah menguap
Hanya saja ungkapan “melanggar fisika” di artikel itu mengganggu
Terkait ini, layak juga melihat https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator
Mekanisme material baru ini sepenuhnya berbeda. Udara tampaknya tidak perlu jenuh
Sudah ada material yang bisa menghilangkan air dari udara. Dalam kasus seperti itu air tetap berada dalam keadaan terserap. Material ini tampaknya bekerja dengan prinsip serupa, tetapi perbedaan nyatanya adalah airnya tidak terus tertahan dalam keadaan terserap
Memang ini bukan Reddit, tapi tetap saja
https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)
Perlu dipahami bahwa energi minimum yang dibutuhkan untuk memisahkan air dari udara jauh lebih besar daripada energi minimum untuk memisahkan air dari air asin
Fakta fisika ini membuat desalinasi pada dasarnya akan selalu lebih efisien daripada pemanenan air dari atmosfer
Jika ada perangkat yang tidak memerlukan masukan bahan habis pakai tambahan, itu tampak cukup menarik. Ada banyak tempat yang mungkin tetap diuntungkan jika hanya perlu listrik tanpa masukan material lain
Jika ada listrik, air bisa dipanen dari udara di mana saja. Sementara itu, air hasil desalinasi biasanya harus diangkut dari pesisir ke tempat yang membutuhkannya
Saya sama sekali tidak tahu apakah biaya transportasi bisa cukup besar sampai membuat pemanenan air menjadi lebih efisien
Jika dilihat dari neraca energi dan dibandingkan dengan teknologi lain, ini berarti penyerapan dan kondensasi terjadi secara pasif di dalam material yang sama, sehingga tidak perlu memasukkan energi.
Panas yang diperoleh dari penyerapan dilepaskan pada tahap kondensasi berikutnya. Karena itu, dampak dari penemuan ini adalah AC, dehumidifier, atau moisture vaporator di southern ridge tidak lagi memerlukan listrik
Saya selalu mencoba menguji AI, dan ini topik yang menarik untuk melihat bagaimana model memikirkan teknologi yang belum pernah dilatih padanya. Grok menelaah prosesnya lebih cermat daripada saya (B.S.ChemE)
https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...
Saya pernah membuat sesuatu yang mirip di tengah Mojave dengan batuan karbonat, arang, dan pipa logam bergelombang besar
Menghasilkan sekitar 3 galon air per malam
34.997387, -116.380048
Anda akan melihat pipa besar yang menonjol. Ada hotel penambang yang dibangun di sana