हवा से निष्क्रिय रूप से पानी निकाल सकने वाला नया मटेरियल विकसित
(blog.seas.upenn.edu)- Penn Engineering के शोधकर्ताओं ने nanostructured materials की एक श्रेणी खोजी है, जो बाहरी ऊर्जा के बिना हवा की नमी को pores में इकट्ठा करती है और फिर उसे सतह पर पानी की बूंदों के रूप में बाहर निकालती है
- इसका मूल आधार hydrophilic nanopores और hydrophobic polymer को मिलाने वाली amphiphilic nanoporous structure है, जिसमें कम humidity पर भी pores के अंदर capillary condensation होती है
- सामान्य nanoporous materials के विपरीत, पानी pores में रुका नहीं रहता बल्कि सतह की ओर जाता है, और membrane जितनी मोटी होती है, इकट्ठे हुए पानी की मात्रा भी उतनी ही बढ़ती है
- इस अनुमान के उलट कि सतह की बूंदें जल्दी evaporate हो जाएंगी, वे लंबे समय तक बनी रहीं; इसे ऐसी संरचना के रूप में समझा गया जिसमें pores के नीचे मौजूद छिपा हुआ reservoir हवा की water vapor से लगातार भरता रहता है
- यह सूखे इलाकों में passive water collection, electronic devices और buildings के cooling surfaces, तथा humidity-responsive smart coatings तक जा सकता है, लेकिन component balance optimization और large-area scaling अभी बाकी हैं
एक आकस्मिक पानी की बूंद से शुरू हुई खोज
- Penn Engineering की chemical engineering lab में hydrophilic nanopores और hydrophobic polymer के संयोजन का test करते समय, experimental material की सतह पर पानी की बूंदें बन गईं
- मूल लक्ष्य water collection नहीं था, लेकिन अप्रत्याशित घटना बार-बार दोहराने पर शोधकर्ताओं ने इसके कारण का विश्लेषण शुरू किया
- Science Advances में प्रकाशित शोध हवा की नमी को capture कर सतह पर release करने वाले amphiphilic nanoporous materials पर केंद्रित है
- research team में Penn Engineering के Daeyeon Lee, Amish Patel, Lee lab के postdoctoral researcher Baekmin Kim, और Technical University of Munich के Stefan Guldin सहित अन्य लोग शामिल थे
cooling के बिना पानी इकट्ठा करने का operating principle
- सामान्य surface condensation के लिए temperature कम करना या बहुत high humidity चाहिए होती है
- मौजूदा water harvesting methods भी अक्सर surface cooling के लिए energy input, या नमी वाले वातावरण में घना fog बनने जैसी conditions पर निर्भर करती हैं
- यह material cooling के बजाय capillary condensation का उपयोग करता है
- यह वह प्रक्रिया है जिसमें water vapor बहुत छोटे pores के अंदर कम humidity पर भी condense हो जाती है
- capillary condensation अपने आप में कोई नई घटना नहीं है
- फर्क यह है कि condensed water pores के अंदर फंसा नहीं रहता, बल्कि सतह तक जाकर पानी की बूंदों के रूप में दिखाई देता है
membrane thickness experiment से अंदरूनी origin की पुष्टि
- शोधकर्ताओं ने शुरुआत में इस संभावना की जांच की कि lab के temperature gradient जैसे उपकरण-संबंधी कारणों से पानी सतह पर सिर्फ condense हुआ हो
- कारण स्पष्ट करने के लिए उन्होंने material membrane की thickness बढ़ाई और देखा कि सतह पर इकट्ठा होने वाले पानी की मात्रा बदलती है या नहीं
- अगर कारण केवल surface condensation होता, तो membrane thickness का पानी की मात्रा पर असर नहीं होना चाहिए था
- वास्तव में membrane जितनी मोटी हुई, collected water की कुल मात्रा उतनी बढ़ी; यह इस बात का प्रमाण बना कि सतह की बूंदें material के अंदर से निकला पानी हैं
लंबे समय तक टिकने वाली बूंदें और replenishment cycle
- बूंदों के size और curvature को देखें तो उन्हें जल्दी evaporate हो जाना चाहिए था, लेकिन experiments में वे लंबे समय तक स्थिर रहीं
- external collaboration team ने भी अलग-अलग conditions में porous membranes को observe कर results की reproducibility की पुष्टि करने में भूमिका निभाई
- यह material पानी को आकर्षित करने वाले nanoparticles और पानी को repel करने वाले plastic, यानी polyethylene के संतुलन से विशेष properties दिखाता है
- सतह की बूंदें नीचे के pores में मौजूद hidden reservoir से जुड़ी होती हैं
- reservoir हवा की water vapor से लगातार replenish होता रहता है
- hydrophilic और hydrophobic components का balance condensation और release का feedback loop संभव बनाता है
passive water collection और cooling की ओर विस्तार की चुनौतियां
- यह material सामान्य polymers और nanoparticles से बनाया जाता है, और scalable manufacturing methods इस्तेमाल किए जा सकते हैं—यह इसका फायदा है
- संभावित application areas इस प्रकार हैं
- सूखे इलाकों के लिए passive water collection devices
- electronic devices या buildings की cooling surfaces
- आसपास की humidity पर react करने वाली smart coatings
- शोधकर्ता यह भी समझना चाहते हैं कि cells और proteins जटिल environments में पानी को कैसे manage करते हैं, ताकि बेहतर material design में उसका उपयोग किया जा सके
- अगला चरण hydrophilic और hydrophobic components के balance को optimize करना, वास्तविक उपयोग के लिए scale-up, और collected droplets को सतह से efficiently roll off कराने के तरीकों की जांच करना है
- लंबे समय में यह तकनीक केवल हवा की water vapor का उपयोग करके सूखे climates में clean water उपलब्ध कराने या अधिक sustainable cooling methods बनाने की दिशा में जा सकती है
1 टिप्पणियां
Hacker News टिप्पणियां
“हवा से पानी खींचकर छिद्रों में जमा करता है, और बाहरी ऊर्जा के बिना सतह पर छोड़ता है” वाला वर्णन किसी उन्नत dehumidifier sachet जैसा लगता है
https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... जैसे उत्पाद calcium chloride से असंतृप्त हवा से पानी सोखकर छोटी बूंदें बनाते हैं, लेकिन इस्तेमाल हो जाने पर उन्हें फिर से खरीदना पड़ता है या crystals वापस पाने के लिए उबालना पड़ता है
इस नए पदार्थ में भी पानी की बूंदें पदार्थ से चिपकी रहती हैं, इसलिए उन्हें हटाने के लिए ऊर्जा चाहिए। वे किसी जादू की तरह डिवाइस के नीचे रखी बाल्टी में नहीं गिरेंगी, इसलिए बिना ऊर्जा के पानी “harvest” नहीं किया जा सकता। पेपर टॉवल से पोंछा जा सकता है, लेकिन उस पेपर टॉवल से पानी निकालने के लिए फिर ऊर्जा लगेगी
“ऐसा पदार्थ जो भौतिकी के नियमों को भी चुनौती दे सकता है” वाली बात भी गलत है। विश्वविद्यालयों की PR टीमों और तकनीकी पत्रकारों को यह मानने से पहले कि भौतिकी के नियम टूट गए हैं, लेखक से दोबारा पुष्टि करने और स्वतंत्र विशेषज्ञों से भी जांच कराने की छोटी-सी ट्रेनिंग मिलनी चाहिए
समस्या वाली पंक्ति और भ्रम पैदा करने वाला शीर्षक विश्वविद्यालय की ओर से लिखे गए लेख में हैं: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...
भौतिकी के नियम तोड़े बिना, यह बात सही है कि बूंदों को अलग करने में अब भी ऊर्जा लगती है। हालांकि अगर बूंदें सतह तक चली आती हैं, तो उन्हें रिलीज करने के लिए जरूरी ऊर्जा Peltier junction जैसी active dehumidification विधियों की तुलना में काफी कम हो सकती है
https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
मूल रूप से यह enhanced silica gel के काफी करीब है
Figure 4 और simulation Figure 3E देखें तो, कुछ शुरू होने की शर्त 97% relative humidity और शायद कुछ मिनट बाद की लगती है। वह भी micrometer scale पर
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
इसे घर पर भी लगभग आजमाया जा सकता है। poly gloves को “freeze-dried” silica powder में घोलना होगा
अगर जरूरी ऊर्जा कम हो, तो इसे दिलचस्प तकनीक माना जा सकता है
absorbent surface या capillary-based transfer system के साथ मिलाने पर यह मददगार हो सकता है, लेकिन अभी यह खुला सवाल लगता है
वास्तविक पेपर (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349) में लिखा है: “जब तक अलग से न कहा गया हो, सभी माप 20° ± 0.2°C पर किए गए, जिसे air circulation system से बनाए रखा गया था। जरूरत पड़ने पर फिल्म का तापमान heating/cooling device (THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK) से नियंत्रित किया गया”
यानी latent heat cooling device में निकल जाती है, लेकिन इसे ज्यादा dramatic दिखाने के लिए उन्होंने इसे साफ तौर पर नहीं कहा
यह ओस बनने से ठीक पहले की बेहद नम हवा है। कई लोग “physics laws का उल्लंघन” जैसे सनसनीखेज शब्दों पर ध्यान दे रहे हैं, लेकिन यह प्राकृतिक रूप से होने वाली प्रक्रिया के क्रमिक सुधार जैसा है
मुख्य दावा यह है कि unsaturated vapor में macroscopic droplets अपने-आप बनते हैं, जो thermodynamics के second law द्वारा अनुमत घटना नहीं है
मेरी अभी की समझ के मुताबिक, ऐसे माहौल में जहां ambient temperature पर्याप्त रूप से कम हो, यह ज्यादा तापमान पर भी काम कर सकता है, इसलिए latent heat को passive radiation से हटाया जा सकता है। active heat pump का इस्तेमाल करें तब भी ज्यादा तापमान efficiency बढ़ा सकता है। closed system हो तो आखिरकार equilibrium तक पहुंच जाएगा, लेकिन closed system बनाए रखने की जरूरत नहीं है
शायद इस material layer को aluminium पर चढ़ाकर latent heat conduct कराई जा सकती है और बिना extra energy के लगातार पानी बनाने वाला device बनाया जा सकता है। छांव में इस material के fins का गुच्छा और नीचे collection tank वाला “cube” सोचिए। असल में बनाने के बाद यह किन conditions में आसपास की हवा से रोज कितने liters पानी निकाल पाएगा, यह दिलचस्प होगा
ऐसे devices उन मौसमों में जरूरी हो सकते हैं जहां temperature और moisture content इंसानों के लिए खतरनाक wet-bulb temperature तक पहुंचते हैं। अगर यह बिना energy के हवा से पानी खींचने वाला passive device हो, तो जान भी बचा सकता है
nanoparticles के बीच की जगह plastic से आंशिक रूप से भर जाती है, और plastic-to-particle ratio को poly-ethylene volume fraction (ϕPE) कहा गया है। कई ratios test किए गए और कहा गया है कि एक खास range में wetting behavior दिखता है
प्रयोगों के मुताबिक relative humidity 70% पर भी material के अंदर छोटी droplets बनती हैं। अगर यह सच है, तो बहुत कम energy से droplets extract करने का तरीका मिलने की उम्मीद है। उदाहरण के लिए, film में open collection points बनाए जा सकते हैं, ultrasound से droplets को उछालकर मिलाया जा सकता है, या ऐसी material पर film बनाई जा सकती है जो पानी से saturate हो सके ताकि नई droplets आसानी से flow में शामिल हो जाएं
https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction
अगर paper में कहीं कोई अहम clue छिपा नहीं है, तो यह दावा thermodynamics के second law से मेल नहीं खाता लगता
वे दावा करते हैं कि constant temperature और 100% से कम relative humidity पर nanomaterial पर droplets condense होती हैं। हमारी समझ की thermodynamics में यह पूरी तरह forbidden है। ऐसी conditions में pores के अंदर concave surfaces पर condensation हो सकती है, लेकिन flat surface पर convex droplet नहीं बन सकती
hydrophobic component पानी को surface पर “निचोड़” देता है—यह explanation भी गलत है। condensation overflow से पहले ही रुक जाएगी। concave pore में condensed पानी को convex droplet के रूप में बाहर धकेलने के लिए hydrostatic pressure को एक ही समय में positive और negative होना पड़ेगा
संभावित explanations बस ये लगती हैं: 1) contaminated surface 2) relative humidity calibration error 3) material को surroundings से कम temperature पर रखने वाली cooling plate का जिक्र छूट गया
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
moisture सभी materials में diffuse होती है, और जहां vapor pressure कम होता है वहां के हिसाब से evaporate होती है। 40% relative humidity में होंठ सूख जाते हैं और 70% में नम रहते हैं—वजह भी यही है
आप condensation की बात कर रहे हैं, जो temperature गिरने पर हवा supersaturated होने से होती है, लेकिन यहां ऐसा मामला नहीं लगता
theoretical रूप से ऐसा material संभव हो सकता है जो हवा में high humidity absorb करते हुए microscopic properties से droplet formation को बढ़ावा दे, और फिर smart moisture-barrier layer जैसी passive material से droplets को हवा से अलग करके water harvest करे
गीली चीजें dust और microorganisms को आकर्षित करती हैं। dust और पानी हों तो microorganisms और बढ़ते हैं। जल्दी ही lichen उगने लगेगा
चार दिन पहले दोबारा पोस्ट किया गया था: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
और इसे ऐसा सुनाने में वे सचमुच सफल रहे जैसे यह thermodynamics का उल्लंघन करता हो। असल में ऐसा नहीं है, और dehumidifier पहले से ही चुकाई जाने वाली ऊर्जा लागत के मुकाबले हवा से पानी अच्छी तरह निकाल लेते हैं। तो फिर कोई दूसरा selling point होना चाहिए, लेकिन वह साफ नहीं दिखता
condensation-type dehumidifier चलाने में air conditioner जितना खर्च आता है, वे अनचाही गर्मी पैदा करते हैं, और शोर करते हैं। desiccant dehumidifier की energy efficiency और भी कम होती है
अगर कम ऊर्जा और कम शोर में हवा से नमी निकालने का कोई तरीका हो, तो यह बहुत बड़ी बात होगी
paper में लिखा है, “हैरानी की बात है कि जब इस amphiphilic nanoporous PINF को उच्च असंतृप्त स्थितियों, यानी relative humidity (RH) < 100%, में expose किया जाता है, तो बिना cooling के भी film की सतह पर macroscopic पानी की बूंदें स्वतः दिखाई देती हैं”
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
पहले पानी मिलता है, उसके परिणामस्वरूप material थोड़ा गर्म होता है, फिर वह वापस ambient temperature तक passively cool हो सकता है
https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap
press release में “physics को चुनौती देता है” जैसा expression नहीं इस्तेमाल किया गया होता तो अच्छा था। water condenser के लिए यह अहम खोज हो सकती है, लेकिन यह दावा करना कि बाहरी ऊर्जा स्रोत की जरूरत नहीं है, गंभीर रूप से लापरवाह है
लगभग तय है कि उन्होंने किसी तरह का Brownian ratchet बनाया है: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
लोग यह दावा करना पसंद करते हैं कि कोई बाहरी ऊर्जा स्रोत नहीं है, लेकिन करीब से देखने पर hot-cold अंतर होता है और उस अंतर को बनाए रखने के लिए बाहरी ऊर्जा चाहिए। मैं बड़ा दांव लगाऊंगा कि material आसपास से ठंडा है, या आने वाली नमी आसपास से गर्म है। यह material के अंदर का अंतर भी हो सकता है, या lab lighting किसी एक तरफ को गर्म कर रही हो सकती है
कई passive devices दिन और रात के temperature cycle पर भी निर्भर करते हैं, लेकिन वह भी सूरज से आने वाली ऊर्जा ही है
article में कहा गया है कि material की मोटाई बढ़ाकर thermal gradient को exclude करने की कोशिश की गई, लेकिन समझ नहीं आता कि इससे वह कैसे exclude हो जाता है। gradient अब भी मौजूद हो सकता है
अगर जानबूझकर ऊर्जा नहीं दी गई, तो शायद यह बहुत efficient होगा, और तब भी यह बड़ी और अहम बात है। लेकिन जनता का ध्यान पाने के लिए इसे perpetual motion machine जैसा दावा करना पड़ता है, ऐसा लगता है, और यह मुझे पसंद नहीं
blog post है, इसलिए peer-reviewed paper जितनी rigor की उम्मीद नहीं करता, फिर भी आखिरकार यह science को नुकसान पहुंचाता है। यह विश्वास कि कोई magical material thermodynamics के second law को तोड़ देगा, chemistry से ज्यादा alchemy जैसा है
अगर मान लें कि temperature और humidity control किए गए थे, तो material को ज्यादा गर्म होना चाहिए, जिसे शायद heat sink से passively संभाला जा सकता है। अगर वे जो समझा रहे हैं वह सही है, तो यह काफी बड़ी बात है, और plausible लगती है
काफी शानदार है। मूल रूप से condensation-evaporation cycle के लिए जरूरी thermodynamic difference को climate control से material control में बदलने जैसा है
आगे चलकर अगर pore size को program किया जा सके तो कैसा होगा? reservoir के inflow/outflow balance को जरूरत के हिसाब से बदला जा सकेगा। smart clothing की कल्पना की जा सकती है। गर्मी में pores बड़े कर पानी बाहर निकलने दें, और ठंड में pores छोटे कर दें ताकि पानी कम evaporate हो
हालांकि article में “physics violation” वाला expression खटकता है
संबंधित रूप से https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator देखने लायक हैं
नए material का mechanism पूरी तरह अलग है। लगता है हवा का saturated होना जरूरी नहीं है
हवा से पानी हटाने वाले materials पहले से हैं। ऐसे मामलों में पानी absorbed state में रहता है। यह material भी कुछ इसी principle जैसा दिखता है, लेकिन असली फर्क यह है कि पानी लगातार absorbed रहकर नहीं रुकता
यह Reddit नहीं है, फिर भी
https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)
यह समझना चाहिए कि हवा से पानी अलग करने के लिए जरूरी minimum energy, खारे पानी से पानी अलग करने के लिए जरूरी minimum energy से कहीं ज्यादा होती है
इसी physical fact की वजह से desalination हमेशा atmospheric water harvesting से ज्यादा efficient होना ही है
अगर कोई device हो जिसमें अतिरिक्त consumables डालने की जरूरत न हो, तो यह काफी दिलचस्प लगता है। बिजली इस्तेमाल हो सकती है, लेकिन बाकी material input न होने की वजह से कई जगहों पर फायदा मिल सकता है
power हो तो कहीं भी हवा से पानी harvest किया जा सकता है। desalination में आम तौर पर समुद्र किनारे बनाया गया पानी जहां चाहिए वहां तक पहुंचाना पड़ता है
transport cost इतनी बढ़ सकती है कि water harvesting ज्यादा efficient हो जाए, यह मुझे बिल्कुल नहीं पता
ऊर्जा संतुलन और दूसरी तकनीकों से तुलना के नजरिए से देखें, तो इसका मतलब है कि absorption और condensation एक ही material के अंदर passively होते हैं, इसलिए ऊर्जा डालने की जरूरत नहीं होती
absorption से मिली heat अगले condensation step में बाहर निकल जाती है। इसलिए इस खोज का असर यह है कि air conditioner, dehumidifier, या दक्षिणी ridge के moisture vaporator के लिए power की जरूरत खत्म हो जाती है
मैं अक्सर AI को टेस्ट करता रहता हूं, और यह देखने के लिए यह एक दिलचस्प विषय था कि model उस technology के बारे में कैसे सोचता है जिस पर शायद उसे train नहीं किया गया होगा। Grok ने process को मुझसे (B.S.ChemE) ज्यादा बारीकी से परखा
https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...
Mojave के बीचोंबीच carbonate rock, charcoal, और बड़े corrugated metal pipe से मैंने कभी कुछ ऐसा ही बनाया था
इसने एक रात में करीब 3 gallons पानी बनाया
34.997387, -116.380048
बाहर निकला बड़ा pipe दिखेगा। वहां एक miners’ hotel बना हुआ है