GE hợp tác chế tạo máy chiết xuất nước uống từ không khí
Quân đội Hoa Kỳ thường xuyên đối mặt với một kẻ thù dai dẳng khi đóng quân tại các điểm nóng trên thế giới: cái khát. Nhóm nghiên cứu của GE Research và các đối tác ở các trường đại học Hoa Kỳ đã tìm cách giải quyết vấn đề này. Họ đang chế tạo một thiết bị với kích thước bằng chiếc tủ lạnh có thể sản xuất hàng trăm lít nước uống mỗi ngày từ không khí.
Dự án AIRWATER2 kéo dài 4 năm là một phần của chương trình Khai thác nước từ khí quyển của Cơ quan Nghiên cứu các dự án Quốc phòng Mỹ (DARPA). Mục tiêu chính của dự án này là giảm thiểu rủi ro liên quan đến việc vận chuyển nước uống cho quân đội trên chiến trường. Về lâu dài, đây có thể được xem là công nghệ giúp giải quyết tình trạng khan hiếm nước sạch trên toàn cầu.
Hiện nay, quân đội Hoa Kỳ thường chở nước đóng chai đến các điểm đóng quân. Việc vận chuyển này thường chạy dọc theo những con đường hẹp và qua những đoạn địa hình cằn cỗi. Đây là một trong những chuỗi cung ứng nguy hiểm nhất trên thế giới. “Những đoàn xe này là mục tiêu tấn công của quân địch” – David Moore, Nhà nghiên cứu chính, Quản lý Công nghệ vật liệu vật lý và hoá học tại Niskayuna, New York cho biết. 10-12% tỷ lệ thương vong của Mỹ tại Iraq và Afghanistan đều liên quan đến việc vận chuyển nước và nhiên liệu.
Quá trình này cũng rất tốn kém. “Sử dụng nguồn cung nước đóng chai tiêu tốn gấp hàng nghìn lần so với sử dụng nước vòi ở nhà” – Moore cho biết. Điều này làm tăng thêm chi phí hậu cần vốn đã chiếm 1/3 ngân sách của Bộ Quốc phòng Mỹ.
Các nhà khoa học tại GE Research đang hợp tác với các trường đại học Hoa Kỳ để chế tạo một thiết bị có thể chiết xuất nước uống từ không khí. Dự án sử dụng các công nghệ tiên tiến như sản xuất bồi đắp. Ảnh: GE Research. Ảnh GIF: UC Berkeley.
AIR2WATER có thể hiểu là một bể chứa nước tích hợp, được sản xuất bằng công nghệ bồi đắp nhằm chiết xuất nước bằng hệ hấp thụ và phương pháp tăng cường thu hồi nhiệt. Thiết bị này là sự kết hợp của những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực khoa học vật liệu, in 3D và các công nghệ tiên tiến khác. Nhóm GE Research hiện đang phát triển dự án này cùng với các nhà khoa học và kỹ sư đến từ đại học California, Berkeley, South Alabama và các chuyên gia về trí tuệ nhân tạo (AI) tại đại học Chicago. Để thực hiện chiết xuất nước, thiết bị chỉ cần 2 yếu tố: bầu khí quyển và nguồn điện.
Sau 4 năm được nghiên cứu và phát triển, AIR2WATER được kỳ vọng sẽ có thể cung cấp khoảng 500 lít nước mỗi ngày – nghĩa là sau mỗi ba phút sẽ có 1 lít nước được sản xuất, đủ phục vụ cho khoảng 150 người lính.
Có thể hình dung thiết bị này như một chiếc tủ lạnh nhỏ, bốn người lính có thể dễ dàng nâng lên xuống xe tải. Thiết kế gồm một khối kim loại dày với kết cấu bọt biển và bộ trao đổi nhiệt hoạt động cùng nhau để lấy sạch nước trong không khí.
Sau khi được nối với nguồn điện, khối kim loại sẽ hút không khí vào, bộ trao đổi nhiệt sẽ làm ngưng tụ các hạt hơi nước trong không khí thành nước. Nước ngưng tụ không chứa cặn và có thể uống.
Tuy nhiên, AIR2WATER sẽ phải hoạt động ở những nơi có độ ẩm chỉ khoảng 5-10% – Moore chia sẻ thêm. Trong khi đó, độ ẩm trung bình tại New York dao động ở khoảng 60%. Để hoạt động được trong những điều kiện này, các nhà khoa học sẽ phải tăng diện tích bề mặt của khối kim loại. Họ cũng lên kế hoạch sử dụng công nghệ in 3D để làm cho bộ trao đổi nhiệt hoạt động hiệu quả kể cả với tốc độ dòng chảy của nước rất thấp cũng như ngăn chặn tình trạng tiêu tốn nhiều điện.
Moore nói rằng dự án này vẫn đang trong giai đoạn khởi đầu. “Chúng tôi đang ở mức độ sẵn sàng (TRL) 1-2 trên 9” – anh giải thích (theo thang đo Mức độ sẵn sàng của công nghệ (TRL) của DOD). Dù vậy, GE Research gần như đã hoàn chỉnh đội ngũ của mình. Khu vực Berkeley do giáo sư hóa học Omar Yaghi đứng đầu sẽ phụ trách giám sát việc phát triển hệ thống hấp thụ cho khối kim loại có kết cấu bọt biển. Khu vực South Alabama do giáo sư Grant Glover đứng đầu sẽ lập mô hình chuyển khối và đo động học hấp phụ. Nhóm chuyên gia AI từ Đại học Chicago, đứng đầu là giáo sư Laura Gagliardi, sẽ sử dụng các công cụ sàng lọc phân tử dựa vào sự hướng dẫn của AI để tìm ra các vật liệu phù hợp.
Moore cho biết thêm: “Đây là thực sự là một chương trình đa ngành. Đội ngũ của chúng tôi có đa dạng các thành viên với kiến thức chuyên môn về vật liệu, kỹ thuật số, sản xuất bồi đắp, trí tuệ nhân tạo cũng như nhiệt học và thiết kế cơ khí. Đây cũng là công việc điển hình ở trung tâm nghiên cứu của chúng tôi.”