Da Ozgur Sahin og kollegene ved Columbia University begynte å snakke om fordampningsgeneratorer som en kilde til fornybar energi, bugnet øynene våre. Kan USA virkelig, som de sa i Nature Communications, få 69 prosent (omtrent 325 gigawatt) av energibehovet sitt fra vann som fordamper fra reservoarene, innsjøene og elvene våre?
Det korte svaret er nei. Sahins tall var basert på ekstrapolering av en liten skala av en maskin han oppfant som genererer kraft via fordampning. Denne lille, flate "fordampningsmotoren" sitter på overflaten av en vannmasse og bruker variasjoner i fuktighet for å åpne og lukke lufteåpninger, som kan føre en generator. For å få antallet multipliserte Sahin kraften han fikk fra denne enheten med det totale området med innsjøer, elver og reservoarer i USA. Men selvfølgelig vil vi ikke dekke hver innsjø og elv. Vi - og det naturlige økosystemet - trenger det til andre ting.
Men det betyr ikke at vi ikke kan dra nytte av teknologien, og bruke den i mindre skala, som en kilde til fornybar energi. Hvordan kan det se ut? Hva venter vi på? Her er fem spørsmål du kan ha om fordampningskraft, svarte.
Du kan få energi fra fordampning? Hvordan fungerer det?
Den drikkefuglleketøyet som fysikklæreren på videregående skole hadde på pulten hennes er et bevis på at du kan. En vannmasse absorberer varme fra solen - omtrent halvparten av solens energi blir brukt på denne måten - og gir gradvis opp damp til luften. Den enkleste iterasjonen av fordampningsmotoren er dekket med strimler av tape, som i seg selv er dekket med bakteriesporer. Når vanndamp samler seg under båndstrimlene, absorberer bakteriene den og blir langstrakte. Dette får båndet til å bøye seg, samtidig som det åpner en lufte til luften og skyver en spak, som kan konverteres fra mekanisk energi til elektrisk. Ventilen slipper damp, sporer tørker ut, og i løpet av bare noen få sekunder kondenserer båndet, luften lukkes, og syklusen begynner igjen.
Avisen Sahin publiserte i år refererte ikke bare til sin egen teknologi for fangst av energi, men alle typer innhøstingsmaskiner. Når det gjelder Sahins motor, som han og kollegene publiserte i Nature Communications i 2015, fungerer den via utvidelse og sammentrekning av bakteriesporer. I motsetning til en turbin, som er avhengig av varme for å drive motoren, utvides "muskler" som er laget av sporer og trekker seg sammen basert på fuktighet - når luftfuktigheten går opp, utvider sporer seg, og forlenger stripene med tape-lignende materiale de er festet til, og åpne opp for en slags ventilasjon. Nå luftet, fuktigheten avtar, sporer trekker seg sammen, lufta lukkes og syklusen tilbakestilles. Når dette skjer skyver stripsenes bevegelse et lite hjul, og rotasjonen driver en generator.
Fordampningsmotoren sitter på overflaten av vannet (blått) her. Når vann på overflaten under fordamper, driver det en stempellignende bevegelse frem og tilbake, som produserer strøm hvis den er koblet til en generator. (Xi Chen) Kan dette erstatte solenergi eller andre fornybare energikilder?
Akkurat som sol, vind, vann og nesten alt annet, kommer fordampingsenergi fra solen. Solenergi er unik i og med at den skaffes direkte, sier Axel Kleidon, jordforsker ved Max Planck Institute som var en anmeldelse av det siste Nature Communications- papiret. Alle de andre har en slags formidlingsprosess som reduserer effektiviteten. I takt med at solprisene synker, er det lite sannsynlig at fordampningskraft vil være kostnadseffektiv i forhold til solcellepaneler.
Kleidon studerer energiomsetningen av naturlige prosesser i stor skala. For eksempel, sier han, er vindkraften avhengig av sollys som er blitt omgjort til varme, og deretter vind, av atmosfæren, hver gang påløper et tap usett i solenergi. Dessuten, jo flere vindmøller du legger opp, desto mindre energi gjenstår i atmosfæren for hver turbin å trekke ut av den. Det samme vil være tilfelle for fordampningsenergi.
De sørlige og vestlige USA har størst kapasitet til å produsere fordampningsgenerert kraft fra innsjøer og reservoarer. (Ahmet-Hamdi Cavusoglu) Hvis det ikke vil redusere behovet for andre energikilder kraftig, hva kan vi da tjene på det?
Det er ingen svar på menneskets energibehov. Selv om vi ikke produserer 70 prosent av energien vår på denne måten, kan den fortsatt bidra. En liten prosentandel av den totale wattstyrken de beregnet, vil fortsatt påvirke fornybar energiindustrien. Vindkraft, akkurat nå, står for titalls gigawatt, og solenergi enda mindre, så selv en liten prosentandel av den totale tilgjengelige fordampningsenergien vil gjøre en stor buk.
Men det er fordeler utenfor kraften, også. Når du høster energi, reduseres fordampingsgraden. Spesielt i det amerikanske vesten, der miljøet er tørt og vannkildene er begrenset, kan dekke reservoarer bidra til å redusere den generelle fordampningen, og etterlate mer vann til vanning og til konsum.
Videre kan denne typen energi håndtere en av fornybare energis aktuelle utfordringer, energilagring. Fordampning skjer ikke bare på dagtid, men også om natten, når akkumulert varme fra dagens sol driver damp inn i den kjøligere natteluften. Solenergi, og i mindre grad, vindkraft dør om natten, og det er da vi trenger energien mest. Fordampningsenergi kan utfylle andre løsninger på forespørsel til dette problemet, som litiumionbatterier, blå batterier eller geotermisk kraft.
Hvilke bivirkninger kan dette ha for innsjøer, elver og økosystemer?
Dette er ikke noe som ble tatt opp i Sahins forskning. Gruppen hans kjørte tallene, og han sier at konteksten er for at andre skal parse etter hvert som teknologien blir videreutviklet. Miljøvurderinger må gjøres lokalt for lokasjon. I noen tilfeller vil det bety å studere dyrelivet som lever på og rundt en vannmasse. I andre må rekreasjons-, industri- eller transportbruk av vannet tas opp.
Selv fordampningen kan påvirke fuktigheten i det omkringliggende området. I stor skala, påpeker Sahin, er atmosfærisk fuktighet dominert av havene. Men små lommer med tørrere luft, hvor fordampingen bremses av denne teknologien, kan ha mindre effekter på planter eller jordbruk der. Og det kan ha en betydelig innvirkning på temperaturen på vannet det dekker. Men det kommer an på hvilken prosent av hver vannmasse som er dekket.
Hvilke barrierer er det fremdeles i veien for å implementere denne teknologien?
Gjør det mer effektivt. Skaler det opp. Gjør økologiske vurderinger. Vi er i de tidlige stadiene av en stor prosess. Selv om det er rimelig å tro at teknologien skalerer godt, bare ved å gjenta blokker av de foreslåtte enhetene, har den bare blitt studert i liten skala - forskningen fra 2015 inneholdt en enkelt roterende motor. Det kan være flere muligheter for å øke effektiviteten, som å optimalisere materialer og redusere produksjonskostnadene, eller kombinere systemene til større motorer. Og miljøundersøkelser vil måtte vurdere effekten på økosystemer der de kan bli distribuert.
