Wetenschappelijke doorbraken beginnen vaak met een vraag. Deze keer heeft een groep experts uit Australië, China, Japan, Singapore en India zich deze vraag gesteld:
Jane Goodall: “Wat je doet maakt een verschil en je moet beslissen welk verschil je wilt maken”. Steun ons werk, bescherm de planeet.
Hoe is het mogelijk dat met 13 miljoen gigaliter water in de atmosfeer, meer dan 2,2 miljard mensen geen schoon water drinken?
Dat was het startsein voor het interdisciplinaire team. Het team bestond uit het Centre of Excellence for Carbon Science and Innovation, een centrum voor schone energie in Sydney; Team Graphene van de University of New South Wales in Sydney, geleid door Associate Professor Rakesh Joshi; en het onderzoeksteam van de Chinese natuurkundige Kostaya Novoselov, winnaar van de Nobelprijs 2010.
Grafeenoxide sleutel om water uit lucht te halen
Bij deze ontdekking is grafeen de sleutel tot succes. Sinds het in 2004 op de markt kwam, hebben wetenschappers onderzocht hoe het kan worden gebruikt in allerlei technologische ontwikkelingen, variërend van het gebruik van batterijen tot het bestrijden van ziektes. Velen beschouwen het als het materiaal van de toekomst.
De eigenschappen zijn zeer revolutionair: het is zo sterk als staal, zo licht als een veertje en een betere elektrische geleider dan koper. Maar voor dit onderzoek gebruikten ze grafeenoxide, d.w.z. met zuurstofhoudende groepen, wetende dat het nuttig zou zijn voor adsorptie (de concentratie van een opgeloste stof, hetzij op het oppervlak van een vaste stof of rond de deeltjes van een colloïde) van water.
In het oxide hebben ze calciumionen ingevoegd, een ander element met goede adsorptie, en“er is iets magisch gebeurd”, leggen ze uit aan UNSW. De ontdekking is dat door de combinatie de waterstofbruggen tussen water en calcium nog sterker zijn geworden.
Wat betekent dit? Dat het water dat aan het nanomateriaal wordt geadsorbeerd aanzienlijk groter is dan wat er in grafeenoxide en calcium afzonderlijk kan worden verkregen. Zoals vaak het geval is in de wetenschap,“het geheel is groter dan de som der delen”.
De simulaties op moleculair niveau zijn theoretisch en experimenteel uitgevoerd op de Canberra supercomputer van de Australian National Computer Infrastructure.
Het rekenwerk werd geleid door Amir Karton van de Universiteit van New England, die het belang van de ontdekking uitlegde: “Deze kennis helpt nu om nog betere systemen te ontwerpen voor het genereren van water uit de atmosfeer, wat een duurzame oplossing biedt voor het groeiende probleem van de beschikbaarheid van zoet water in Australië en in waterarme regio’s over de hele wereld.
Maar daar hield de ontdekking niet op. Nadat ze de formule goed hadden gekregen, zijn ze verder gegaan met het aanpassen van het ontwerp. Ze maakten grafeenoxide met calciumionen in de vorm van een aerogel, een zeer licht materiaal met een hoge adsorptiecapaciteit dankzij de microporiën die het proces versnellen.
Een revolutionair nanomateriaal in een aerogel
Het resultaat is dat het nanomateriaal meer dan drie keer zijn gewicht in water kan vasthouden en sneller is dan andere bestaande technologieën voor het produceren van water uit zuurstof. Het verbruikt ook minder elektriciteit omdat het systeem slechts tot 50 graden hoeft te worden verwarmd om water te verkrijgen.
Tot nu toe gaat het om een voorlopige ontdekking die vervolgens opgeschaald moet worden om de technologie op grotere schaal toe te passen en testprototypes te ontwikkelen.
Hoewel de VN erkent dat tussen 2015 en 2022 het percentage van de wereldbevolking dat toegang heeft tot veilig en gezond drinkwater is gestegen, zullen volgens schattingen in 2030 nog steeds meer dan 2 miljard mensen zijn uitgesloten. Maar het rapport voor 2024 maakt ook duidelijk dat dit “in het huidige tempo” zal zijn.
“Onze technologie zal toepasbaar zijn in elke regio waar er voldoende vocht is, maar beperkte toegang of beschikbaarheid van veilig drinkwater,” legt Dr. Joshi, universitair hoofddocent aan de UNSW Sydney, uit.
Zoals altijd het geval is met wetenschappelijke doorbraken, valt de toekomst nog te bezien…
