En tiår gammel idé, med dagens innovasjon, kan være svaret for å hjelpe tørkefylte land og å bekjempe klimaendringer.28. mars 2022
I samarbeid medUAE Pavilion Expo 2020 Dubai
Siden 1940-tallet har forskere studert måter å øke nedbøren med mål om å øke nedbøren i tørre og halvtørre klima. I dag gjør denne bestrebelsen utrolige sprang og grenser når forskere og ingeniører bruker nanoteknologi for å forbedre effektiviteten av skyfrø.
“ Den globale vannmangelen har kontinuerlig blitt intensivert av rask befolkningsvekst og økonomisk utvikling rundt om i verden. Konvensjonelle vannressurser som elver, innsjøer og grunnvann har blitt svært begrenset, noe som driver forskere og ingeniører til å lete etter alternative vannressurser, ” sier Dr. Linda Zou, professor i sivil- og miljøteknikk ved Khalifa University of Science and Technology.
Dr. Zou leder et banebrytende forskningsprosjekt som bruker nanoteknologi for å utvikle skyfrømaterialer. Cloud seeding er en form for værmodifisering som etterligner det som naturlig forekommer i skyer, men forbedrer prosessen ved å tilsette partikler som kan stimulere og akselerere kondensasjonsprosessen. Imidlertid Dr. Zou forklarer, “ Skysæningsmaterialene som brukes i dag har eksistert i mange tiår. Informasjonen og teknikkene er utdaterte, og effektiviteten deres er ikke godt forstått. ”
Skysåing har strenge krav. For å lykkes, trenger forskere riktig lufttemperatur, riktig luftfuktighet, en overflate som tiltrekker vann og holder det, og deretter riktig størrelse materiale for å tillate kondens på partikkelen.
“ Gjennom avansementet innen nanoteknologi og nanovitenskap, jobber vi i dag med å designe og konstruere skyfrømaterialer med optimale egenskaper for å sikre at vanndampkondens vil skje effektivt og maksimere oppnådd nedbør,” forklarer Dr. Zou.
Relaterte materialer
- UAEs forskningsprogram for regnforbedringsvitenskap
- Ny UAE skyfrøtest i Texas viser ‘lovende resultater’, The National News, 15. august 2021
Full transkripsjon
Laurel Ruma: Fra MIT Technology Review er jeg Laurel Ruma, og dette er Business Lab. Showet som hjelper bedriftsledere med å forstå nye teknologier som kommer ut av laboratoriet og inn på markedet.
Temaet vårt i dag er skyfrø for å øke nedbøren. Selv om skyfrø har eksistert siden 1940-tallet, driver klimaendringer og befolkningsvekst forskere til å se nærmere på teknologien, som kan tilby et levedyktig kostnadseffektivt supplement til eksisterende vannforsyning, spesielt i tørre og halvtørre regioner, som De forente arabiske emirater.
I 2015 lanserte UAE-regjeringen et nytt initiativ, UAE Research Program for Rain Enhancement Science. Målet er å få andre innovative prosjekter fra forskere innen regnforbedring fra hele verden, med de vinnende ideene som får et tilskudd på $ 5 millioner for å jobbe og forbedre konsepter i en periode på tre år. To ord for deg: nanoengineerte materialer.
Gjesten min i dag er Dr. Linda Zou, som er professor i sivil- og miljøteknikk ved Khalifa University of Science and Technology. Dr. Zou leder et banebrytende forskningsprosjekt som bruker nanoteknologi for å utvikle skysåingsmaterialer.
Hun ble tildelt et tilskudd av UAE Research Program for vitenskap om regnforbedring fra 2016 til 2019. Dr. Zous forskningsinteresser inkluderer anvendelse av nanoteknologi og membranvitenskap på utvikling av nye avsaltnings- og vannrenseløsninger med lav energi og høy effektivitet. Denne podcasten er produsert i samarbeid med UAE Pavilion Expo 2020 Dubai. Velkommen, Dr. Zou.
Dr. Zou: Takk, Laurel.
Laurel: Du var en av de første forskerne i verden som undersøkte bruken av nanoteknologi i skyfrø. Hvorfor er du interessert i denne typen forskning?
Dr. Zou: Skysåmaterialene som brukes i dag har eksistert i mange tiår. Informasjonen og teknikkene er utdaterte, og effektiviteten deres er ikke godt forstått. Gjennom avansementet innen nanoteknologi og nanovitenskap jobber vi i dag med å designe og konstruere skysåingsmaterialer med optimale egenskaper for å sikre at vanndampkondens vil skje effektivt og maksimere oppnådd nedbør.
Laurel: Cloud seeding er en form for værmodifisering som etterligner det som naturlig forekommer i skyer, men forbedrer prosessen ved å tilsette partikler som kan stimulere og akselerere kondensasjonsprosessen. Kan du forklare mer detaljert hvordan skysåing fungerer?
Dr. Zou: I den naturlige vannsyklusen på jorden bestråler solen på overflaten av planeten vår, og vannet på overflaten fordampes av varmen som damper. De små damene stiger opp i atmosfæren uten kondensasjonskjerner, som er små partikler. De forblir som damper i luften og beveger seg høyere og lenger.
De naturlige forekommende kondenskjernene er som støvpartikler, vulkanblits eller pollenser. Dessverre er slikt materiale uforutsigbart, hvor og hvor mye tilgjengelig. På den annen side, skysåingspraksis er å frigjøre kunstige såmaterialer som kjerner for å sette i gang vanndampen i skyen for å kondensere til dråper og fremme dannelsen av store dråper til de blir store nok å falle som regn.
De viktigste faktorene for en vellykket skyfrøoperasjon inkluderer for det første å identifisere den passende skyen for såing. For det andre å ha det effektive såmaterialet for dannelse av vanndråper.
Laurel: For å lykkes med skyfrø, trenger du en rekke ting: riktig lufttemperatur, riktig luftfuktighet, en overflate som tiltrekker vann og holder det, og deretter riktig størrelse materiale for å tillate kondens på partikkelen. Er det riktig?
Dr. Zou: Ja. Ja.
Laurel: Selv om skyfrø har eksistert i flere tiår, hvordan beveger dagens teknologi den mot en større suksessrate?
Dr. Zou: Som vi vet, har den globale vannmangelen kontinuerlig blitt intensivert av rask befolkningsvekst og økonomisk utvikling rundt om i verden. Konvensjonelle vannressurser som elver, innsjøer og grunnvann har blitt svært begrenset, noe som driver forskere og ingeniører til å lete etter alternative vannressurser.
Atmosfærisk vann er en slik alternativ ressurs. For øyeblikket bør alle mulige løsninger som kan løse vannmangelproblemet undersøkes nøye.
Nanoteknologi kan konstruere materiale og designe materialet med godt kontrollert størrelse, former og egenskaper. Så det har en enorm mulighet til å forbedre effektiviteten.
Laurel: Forskningen din fokuserer på selve skysåmaterialet, nærmere bestemt nanomaterialene som du nevnte, som er et mer effektivt verktøy for å generere regn fra eksisterende skyer. Hva er konvensjonelle skysåingsmaterialer, og hvordan kommer nanoteknologi til å spille?
Dr. Zou: De konvensjonelle skyfrømaterialene inkluderer for det meste hydroskopisk saltblanding, som kan skifte fra saltkrystaller til vanndråper i riktig stand. Leveringen av dette saltet er å fordampe dem ved tenning med en fakkelanordning. Denne saltdampen vil da rekondensere som veldig små partikler. Fordi prosessen er tilfeldig og usikker, kan ikke formen og størrelsen på partikkelen kontrolleres, og de fleste er sannsynligvis for små til å være effektive skysåingsmaterialer.
Det konvensjonelle skyfrømaterialet kan bare aktiveres med en veldig høy relativ fuktighet i atmosfæren i skyen, for eksempel større enn 75% relativ fuktighet. I prosjektet mitt har vi endret overflaten på materialet for å gjøre det mer reaktivt, slik at det kan fungere med en lavere og bredere relativ fuktighet for å gjøre det mer sannsynlig å skje.
For å oppnå dette bruker vi nanoteknologien til å deponere titandioksid nanopartikler som et skalllag og natriumklorid krystallkjerne. Dette nanoengineerte skallkjernestrukturerte materialet kan aktiveres ved mye bredere relative fuktighetsforhold som omtrent 65%. Fordi de belagte nanolayers er mer hydrofile og porøse, kan vannet lett tas opp og øke den lokale relative fuktigheten til krystallene og øke sannsynligheten for å danne vanndråper. Så det er en synergistisk effekt.
Laurel: Du har også utviklet en annen type teknologi, iskjernepartikler. Hvordan kan de sammenlignes med skysåingsmaterialer?
Dr. Zou: Ja. Som kjent er kalde skyer med temperaturer under null også til stede i atmosfæren. De er laget av mange superkjølte vanndamp, så selv om de er under null, forblir de som damp. Når en slik sky møter iskjernepartiklene, danner de raskt et stort antall iskrystaller og omgår flytende vannfasen. Så de danner superkule damp og krystalliserer til ispartikler.
Iskjern er viktig. Det vil sette i gang fra det tynne vannlaget som er dannet på overflaten av is-nuklease, og isen vil vokse raskt på bekostning av vanndampen i skyen. Vi designet og fabrikerte en porøs nanokompositt av 3D-redusert grafittoksyd og silikadioksid nanopartikler. Dette materialet kan sette i gang iskjerne etterfulgt av rask vekst fra en temperatur på minus 80 grader. Denne temperaturen er mye høyere enn de fleste andre kjente iskjernemateriale. Ofte krever de minus 25 grader eller enda lavere.
Laurel: Dette er veldig kritisk fordi skysåmaterialene går veldig høyt opp i atmosfæren der det er veldig kaldt, riktig?
Dr. Zou: Ja. Jo høyere du beveger deg opp til atmosfæren, og beveger deg raskt inn i subzero og veldig kaldt.
Laurel: Tidligere var en av utfordringene forskere møtte da de undersøkte skyfrø, mangelen på et simuleringsmiljø. Du tok på dette som en del av forskningen din. Hva utviklet du og hvordan vil det lette fremtidig forskning?
https://buy.tinypass.com/checkout/template/cacheableShow?aid=WUOCNSUgpu&templateId=OTK3MV0EY5CW&templateVariantId=OTV21YEOXFBPZ&offerId=fakeOfferId&experienceId=EX63J2T68LHS&iframeId=offer_8eaac14ec09741062d78-0&displayMode=inline&pianoIdUrl=https%3A%2F%2Fauth.technologyreview.com%2Fid%2F&widget=template&url=https%3A%2F%2Fwww.technologyreview.com
Dr. Zou: Det er et utfordringsområde, og jeg har samarbeidet med teamet Cloud Microphysics Modelling International. Innovasjonen i prosjektet mitt er karakteristikkdataene vi fikk fra eksperimentet. Disse dataene som beskriver min nye såmateriellegenskap og deres interaksjoner i atmosfæren. Så vi kan bruke dem som innspill til å utvikle endimensjonal og tredimensjonal modellering av nedbørforbedring forårsaket av skysåing, og resultatene viser seg ganske vellykkede.
Laurel: Kan du beskrive det værkammeret du brukte i eksperimentene dine? Hva er utfordringene med å deretter distribuere materialet i den virkelige verden?
Dr. Zou: Skykammeret er et tredimensjonalt eksperimentelt miljø. De varierer i størrelse. Det er en liten, en middels og en stor. Den lille kunne være 20 meter og den store kunne være som en bygning. Jeg brukte et åtte kubikkmeter kammer med kontrollert luftfuktighet og temperatur. En enhet øverst i kammeret frigjør såmaterialene.
Umiddelbart etter at såingen er utgitt, vil det elektroniske utstyret, som er elektroniske optiske kameraer, raskt ta mange, mange bilder for å registrere bildet mens såmaterialet faller. Så kan vi senere analysere på hvilket stadium dråpene dannet og på hvilket antall og størrelse på dråpene. Vi kan gjøre en spektrumanalyse og finne ut deres dampkondens, dråpedannelsen og størrelsen og antall dråper. Å bruke denne informasjonen er veldig bra å sammenligne ytelsen til forskjellige materialer, og det gjorde vi mye.
Laurel: Så i den virkelige verden der vi ikke har dette kontrollerte kammeret, er det ikke så lett nødvendigvis å måle den slags suksess.
Dr. Zou: Ja, du har rett. I det åpne miljøet er det mer utfordrende.
Laurel: Forskningen din betyr en milepæl for å oppnå større vannsikkerhet i verden. Hva slags effekt kan skysåing potensielt ha på et land, som UAE, som vanligvis bare registrerer fire centimeter regn i løpet av et år?
Dr. Zou: Yeah. UAE befinner seg i den tørre klimasonen, og regjeringen har allerede tatt initiativ til dette UAE-forskningsprogrammet for å forbedre vitenskapen på nytt. Vi kaller dem UAEREP [De forente arabiske emirater forskningsprogram for regnforbedringsvitenskap]. Forskningsarbeidet mitt har blitt støttet i deres første syklus og fått utmerket eksponering over hele verden.
I dag, sammen med UAEs nasjonale senter for meteorologi, kan vi se bruken av disse nye såmaterialene i reelle operasjoner veldig raskt over UAE for å øke nedbøren.
Laurel: Tilbake til teknologien din inngav du patent på selve skyfrømaterialet. Hva jobber du med nå, og hva tenker du på videre?
Dr. Zou: Yeah. Ett patent er innlevert på titandioksid, natriumkloridmateriale for varm skysåing, og et annet patent er inngitt for porøs grafittoksyd, silikadioksyd, nano kompensert for kald skyfrø.
For øyeblikket jobber jeg samarbeid om et prosjekt for å evaluere effekten av disse materialene i friluft. Et team av piloter gjennomfører en undersøkelse ved å frigjøre såmaterialet og i sanntid fange og analysere dem. Det er veldig lovende å vite mer om effekten av dette såmaterialet.
På den annen side er jeg også dedikert til oppskalering av produksjonen, redusere kostnadene og bruken av materialene. Vi ser frem til å flytte såmaterialene fra laboratorium til den kommersielle satsingen for ikke bare skyfrøapplikasjoner, men bredere applikasjoner, for eksempel forskjellige værmodifiseringsarbeid, inkludert landbruk eller avlingsbeskyttelse, hagl eller stormundertrykkelse, og den kunstige snøproduksjonen på skianlegget. Ja, slik type applikasjoner.
Laurel: Helt klart en rekke mulige kommersielle virksomheter. Du forfølger også finansieringsinitiativer også på dette tidspunktet for forskningen din. Er det riktig?
Dr. Zou: Vi ønsker å flytte materialene, som jeg nevnte, fra laboratoriet allerede og skalere opp, så det har en sjanse til å nå markedet og nå mange forskjellige deler av verden også, fordi det er så mange land over hele verden som praktiserer værmodifisering.
Laurel: Dr. Zou, tusen takk for at du er sammen med oss her på Business Lab. Dette har vært en absolutt, fantastisk samtale.
Dr. Zou: Takk for at du har meg.
Laurel: Det var Dr. Linda Zou, professor i sivil- og miljøteknikk ved Khalifa University of Science and Technology, som jeg snakket med fra Cambridge, Massachusetts, hjemmet til MIT og MIT Technology Review, med utsikt over Charles River.
Det er det for denne episoden av Business Lab. Jeg er din vert, Laurel Ruma. Jeg er Director of Insights, den tilpassede publiseringsdivisjonen til MIT Technology Review. Vi ble grunnlagt i 1899 ved Massachusetts Institute of Technology, og du kan finne oss på trykk på nettet og på arrangementer hvert år rundt om i verden. For mer informasjon om oss og showet, vennligst sjekk ut nettstedet vårt på technologyreview.com.
Dette showet er tilgjengelig uansett hvor du får podcastene dine. Hvis du likte denne episoden, håper vi at du tar et øyeblikk til å rangere og gjennomgå oss. Business Lab er en produksjon av MIT Technology Review. Denne episoden ble produsert av Collective Next. Takk for at du hørte på.
Denne podcast-episoden ble produsert av Insights, den tilpassede innholdsarmen til MIT Technology Review. Det ble ikke skrevet av redaksjonen til MIT Technology Review.
+ There are no comments
Add yours