Ett nytt system utarbetat av MIT-ingenjörer skulle kunna tillhandahålla en lågkostnadskälla för dricksvatten för uttorkade städer runt om i världen samtidigt som kraftverkets driftskostnader minskar.

Cirka 39 procent av allt färskvatten som tas ut från floder, sjöar, och reservoarer i USA är öronmärkta för kylbehoven hos elkraftverk som använder fossila bränslen eller kärnkraft, och mycket av det vattnet slutar med att flyta iväg i ångmoln. Men det nya MIT-systemet kan potentiellt spara en betydande del av det förlorade vattnet – och kan till och med bli en betydande källa till rent, säkert dricksvatten för kuststäder där havsvatten används för att kyla lokala kraftverk.

Principen bakom det nya konceptet är bedrägligt enkel:när luft som är rik på dimma zappas med en stråle av elektriskt laddade partiklar, kända som joner, vattendroppar blir elektriskt laddade och kan därför dras mot ett nät av trådar, liknar en fönsterskärm, placeras i deras väg. Dropparna samlas sedan på det nätet, rinna av i en uppsamlingspanna, och kan återanvändas i kraftverket eller skickas till stadens vattenförsörjningssystem.

Systemet, som är grunden för ett startup-företag som heter Infinite Cooling som förra månaden vann MIT:s $100K Entrepreneurship Competition, beskrivs i en artikel som publicerades i dag i tidskriften Vetenskapens framsteg , medförfattare av Maher Damak Ph.D. '17 och docent i maskinteknik Kripa Varanasi. Damak och Varanasi är bland medgrundarna till startupen.

Varanasis vision var att utveckla högeffektiva vattenåtervinningssystem genom att fånga upp vattendroppar från både naturlig dimma och plymer från industriella kyltorn. Projektet började som en del av Damaks doktorsavhandling, som syftade till att förbättra effektiviteten hos system för dimskörd som används i många vattenbrista kustområden som en källa till dricksvatten. Dessa system, som vanligtvis består av något slags plast- eller metallnät som hängs vertikalt i vägen för dimbankar som regelbundet rullar in från havet, är extremt ineffektiva, fångar endast cirka 1 till 3 procent av de vattendroppar som passerar genom dem. Varanasi och Damak undrade om det fanns ett sätt att få nätet att fånga fler av dropparna – och hittade ett mycket enkelt och effektivt sätt att göra det.

Orsaken till ineffektiviteten hos befintliga system blev uppenbar i teamets detaljerade laboratorieexperiment:Problemet ligger i systemets aerodynamik. När en luftström passerar ett hinder, som t.ex. ledningarna i dessa nät-dimfångande skärmar, luftflödet avviker naturligt runt hindret, ungefär som luft som strömmar runt en flygplansvinge separeras i strömmar som passerar över och under vingstrukturen. Dessa avvikande luftströmmar bär droppar som var på väg mot tråden åt sidan, såvida de inte var på väg mot vajerns mitt.

Resultatet är att andelen droppar som fångas är mycket lägre än andelen av uppsamlingsytan som upptas av trådarna, eftersom droppar sopas undan från ledningar som ligger framför dem. Att bara göra ledningarna större eller utrymmena i nätet mindre tenderar att vara kontraproduktivt eftersom det hämmar det totala luftflödet, vilket resulterar i en nettominskning av insamlingen.

Men när den inkommande dimman först blåses av med en jonstråle, den motsatta effekten inträffar. Inte nog med att alla droppar som finns i trådarnas väg landar på dem, även droppar som siktade mot hålen i nätet dras mot trådarna. Detta system kan alltså fånga en mycket större del av de droppar som passerar igenom. Som sådan, det kan dramatiskt förbättra effektiviteten hos dimfångarsystem, och till en förvånansvärt låg kostnad. Utrustningen är enkel, och mängden ström som krävs är minimal.

Nästa, teamet fokuserade på att fånga upp vatten från kraftverkens kyltorn. Där, strömmen av vattenånga är mycket mer koncentrerad än någon naturligt förekommande dimma, och det gör systemet ännu mer effektivt. Och eftersom att fånga avdunstat vatten i sig är en destillationsprocess, vattnet som fångas upp är rent, även om kylvattnet är salt eller förorenat. Vid denna tidpunkt, Karim Khalil, en annan doktorand från Varanasis labb gick med i laget.

"Det är destillerat vatten, som är av högre kvalitet, det är nu bara bortkastat, " säger Varanasi. "Det är vad vi försöker fånga." Vattnet kan ledas till en stads dricksvattensystem, eller används i processer som kräver rent vatten, som i ett kraftverks pannor, till skillnad från att användas i sitt kylsystem där vattenkvaliteten inte spelar så stor roll.

Ett typiskt 600 megawatt kraftverk, Varanasi säger, skulle kunna fånga 150 miljoner liter vatten om året, representerar ett värde av miljoner dollar. Detta motsvarar cirka 20 till 30 procent av vattnet som förloras från kyltorn. Med ytterligare förbättringar, systemet kanske kan fånga ännu mer av utdata, han säger.

Vad mer, eftersom kraftverk redan finns på plats längs många torra kustlinjer, och många av dem kyls med havsvatten, detta ger ett mycket enkelt sätt att tillhandahålla vattenavsaltningstjänster till en liten bråkdel av kostnaden för att bygga en fristående avsaltningsanläggning. Damak och Varanasi uppskattar att installationskostnaden för en sådan ombyggnad skulle vara ungefär en tredjedel av en byggnad av en ny avsaltningsanläggning, och dess driftskostnader skulle vara ca 1/50. Återbetalningstiden för att installera ett sådant system skulle vara cirka två år, Varanasi säger, och det skulle i princip inte ha något miljöavtryck, tillför ingenting till den ursprungliga växten.

"Det här kan vara en bra lösning för att ta itu med den globala vattenkrisen, " Varanasi säger. "Det kan kompensera behovet av cirka 70 procent av nya avsaltningsanläggningar under det kommande decenniet."

I en serie dramatiska proof-of-concept-experiment, Damak, Khalil, och Varanasi demonstrerade konceptet genom att bygga en liten labbversion av en stack som avger en plym av vattendroppar, liknande de som ses på verkliga kraftverks kyltorn, och placerade sin jonstråle och nätskärm på den. I video av experimentet, en tjock plym av dimdroppar ses stiga upp från enheten – och försvinner nästan omedelbart så fort systemet slås på.

Teamet bygger för närvarande en fullskalig testversion av deras system som ska placeras på kyltornet på MIT:s centrala kraftverk, ett kraftvärmeverk med naturgas som tillhandahåller det mesta av campus el, uppvärmning, och kylning. Installationen förväntas vara på plats i slutet av sommaren och kommer att testas under hösten. Testerna kommer att innefatta att prova olika varianter av nätet och dess bärande struktur, säger Damak.

Det borde ge de bevis som behövs för att kraftverksoperatörer ska kunna som tenderar att vara konservativa i sina teknikval, att anta systemet. Eftersom kraftverk har decennier lång livslängd, deras operatörer tenderar att "vara väldigt riskvilliga" och vill veta "har detta gjorts någon annanstans?" säger Varanasi. Campus kraftverkstester kommer inte bara att "avrisk" tekniken, men kommer också att hjälpa MIT campus att förbättra sitt vattenavtryck, han säger. "Detta kan ha en stor inverkan på vattenanvändningen på campus."