Wasser, wo Sie es brauchen

Cody Friesen, PhD ’04, erfand Platten, die Wasser aus der Luft gewinnen – sogar im trockenen Arizona. Und das, nachdem er herausgefunden hatte, wie man wiederaufladbare Hochenergiebatterien billig und umweltfreundlich herstellt.

Cody Friesen, PhD ’04, erfand Platten, die Wasser aus der Luft gewinnen – sogar im trockenen Arizona. Und das, nachdem er herausgefunden hatte, wie man wiederaufladbare Hochenergiebatterien billig und umweltfreundlich herstellt.Kunst Holemann

Im Jahr 2018 reiste Cody Friesen, PhD ’04, durch den Busch im Rift Valley in Kenia, um die Gefahren zu verstehen, denen die Mädchen der Samburu Girls Foundation ausgesetzt waren, als sie hinausgingen, um Wasser zu holen.

Jeden Tag mussten Mädchen, die bei der Rettungsorganisation leben, zwei Meilen laufen – oft an Männern vorbei, die sie als Eigentum betrachten – zum nächsten Wasser in einem Land, in dem das vergangene Jahrzehnt von extremer Dürre geprägt war.



Dort, an den schlammigen Ufern eines von Cholera durchsetzten Flusses, sah Friesen die Spuren von Hyänen und Menschen, Erinnerungen an das, was jedes Mädchen erwarten könnte, das hier verweilte.

Die Szene erinnerte auch daran, dass schätzungsweise 2,2 Milliarden Menschen weltweit kein sauberes Trinkwasser haben, einschließlich dieser gefährdeten kenianischen Mädchen 200 Meilen nördlich von Nairobi.

Friesen beseitigte diese tägliche Wanderung zum Fluss, indem er auf dem Gelände der Stiftung eine Reihe von 40 Geräten installierte, die Sonnenkollektoren ähnelten. Er entwarf das Gerät, das er Source Hydropanel nennt, um Wasser aus der Luft zu ziehen, das nur mit Solarenergie betrieben wird. Es löste die Wassersicherheitskrise im kenianischen Mädchenheim – und Friesen sagt, dass sein Gerät das Gleiche für Menschen auf der ganzen Welt tun kann, die keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser haben.

Die Bewohner von Bahia Hondita auf der Halbinsel La Guajira in Kolumbien beziehen jetzt Wasser aus einer Reihe von Source-Hydropaneelen, anstatt sich auf Brackwasser aus einem örtlichen Bohrloch zu verlassen.

NULL MASSE WASSER

Friesen interessierte sich erstmals für Wasser, als er in den damals relativ ländlichen Vororten südöstlich von Phoenix aufwuchs. Als Kind, das in der Wüste wanderte, wanderten wir immer zu einem Gewässer wie einem Bach oder einer Quelle, sagt er. Von klein auf war die Wertschätzung der Wichtigkeit und Bedeutung von Wasser nur ein Teil meines Lebens. Er war auch schon immer neugierig gewesen, wie die Dinge funktionierten, die Art von Kind, das am Weihnachtsmorgen das neue Spielzeugauto auseinander nahm und es bis zur Mittagszeit wieder zusammenbauen ließ. Als Teenager also auf Wanderungen zufällig auf Pappelwälder und natürliche Quellen stieß, dachte er nicht nur über den Wert des Wassers nach, sondern auch über die Infrastruktur, die es vom Colorado River bis zur Metro Phoenix brachte. Er dachte sich, dass es eine bessere Alternative zu der bestehenden Lösung gäbe: einen der mächtigsten Flüsse Nordamerikas zu stauen und sein Wasser Hunderte von Kilometern zu pumpen.

Als er als Student an der Arizona State University anfing, wandte er sich den Materialwissenschaften zu, die er als Trifecta aus Physik, Chemie und Maschinenbau bezeichnet. Seine Doktorarbeit am MIT konzentrierte sich auf die Eigenschaften dünner Metallfilme und die Quantenmechanik der Katalyse im Zusammenhang mit Brennstoffzellen. Nach seiner Promotion im Jahr 2004 kehrte er an die ASU zurück und wechselte an die Fakultät für Materialwissenschaften der Ira A. Fulton Schools of Engineering.

In seinem neuen Labor an der ASU widmete er sich dem Bau einer besseren Batterie. Innerhalb von drei Jahren hatte Friesen eine wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie entwickelt und ein Startup namens Fluidic Energy gegründet, um sie zu kommerzialisieren. Er folgte dem mit seinem Wasser-aus-Luft-Hydropanel und startete 2014 sein zweites Unternehmen, Zero Mass Water, um es zu verfeinern, herzustellen und zu vertreiben.

Friesen beschreibt jeweils ähnliche Ursprünge und Entdeckungswege. In beiden Fällen versuchte er zunächst, die Gesamtprobleme zu verstehen und dann neu zu formulieren. Anschließend suchte er nach Möglichkeiten, sie anzugehen, indem er Materialien verwendete, die für die jeweiligen chemischen und physikalischen Herausforderungen am besten geeignet waren. Er sagt, es sei ein Ansatz, der am MIT eingeführt wurde, wo sich die Leute auf schwierige Herausforderungen konzentrieren und ständig darüber nachdenken, wie man neue Lösungen zusammenhackt, sagt er.

Die Zink-Luft-Batterie hatte ihren Ursprung, als Friesen ins Periodensystem schaute und fragte, was die billigste mögliche Batterie sei. Das veranlasste ihn, über Luftsauerstoff als Kathode und Zinkmetall als Anode nachzudenken. Zink-Luft-Batterien gab es schon seit etwa 100 Jahren, aber niemand wusste, wie man sie wieder auflädt. Sie entladen die im Zink gespeicherte Energie, indem sie es dem Luftsauerstoff aussetzen, Zinkoxid bilden und Elektronen freisetzen. Das Wiederaufladen der Batterie führt jedoch dazu, dass sich auf der Oberfläche der Anode stachelige Kristalle oder Dendriten aus Zink bilden, die es unmöglich machen, sie mehr als ein paar Mal wieder aufzuladen. Um das Dendritenproblem zu umgehen, schuf Friesen ein geschichtetes Nickelgerüst mit einer Reihe von Löchern in verschiedenen Größen; die Schichten zeichnen sich durch unterschiedliche elektrische Eigenschaften aus. Zink wird auf das Gerüst plattiert, das dann als poröse Anode fungiert, und eine Mischung aus Kaliumhydroxid und Additiven auf Basis ionischer Flüssigkeiten dient als Elektrolyt. Wenn der Elektrolyt beim Laden und Entladen durch die Anode fließt, wirkt diese Mischung mit den Poren und der Schichtstruktur zusammen, um die Bildung und den Aufbau von Dendriten zu verhindern. Dadurch sind die Batterien immer wieder aufladbar und auf eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren ausgelegt.

Das Gerät hat alle Kriterien erfüllt. Es wurde mit billigen, ungiftigen und reichlich verfügbaren Rohstoffen gebaut. Und es könnte mehr Energie als eine Lithium-Ionen-Batterie zu viel geringeren Kosten speichern – möglicherweise für nur 10 US-Dollar pro Kilowattstunde im Maßstab.

Die Batterien von Friesen konnten bei längeren Stromausfällen 12 Stunden oder länger Strom aufrechterhalten. In Gebieten ohne Zugang zum Stromnetz könnten sie durch Solarpanels aufgeladen und zur Stromversorgung genutzt werden. Die Erfindung veranlasste die MIT Technology Review, ihn in die TR35-Liste 2009 aufzunehmen, die herausragende Innovatoren unter 35 Jahren auszeichnet.

Im Jahr 2018 wurde Fluidic Energy vom Chirurgen und medizinischen Unternehmer Patrick Soon-Shiong gekauft und wurde zu NantEnergy. Das Unternehmen hat nach eigenen Angaben 200.000 Menschen im ländlichen Afrika mit Strom versorgt und verweist auf ein Demonstrationsprojekt in Madagaskar, wo drei Viertel der Bevölkerung keinen Strom haben. Obwohl es im vergangenen Herbst die Hälfte seiner Belegschaft entlassen hat, berichtete NantEnergy, im vergangenen Jahr 3.000 Systeme in neun Ländern installiert zu haben, und sagt, dass es insgesamt mehr als eine Million Stunden lang anhaltender Stromausfälle mit Notstrom versorgt hat.

Als die Zink-Luft-Batterie vom Labor auf den Markt kam, arbeitete Friesen bereits an seiner nächsten großen Herausforderung. Seit 2010 wollte er ein Gerät entwickeln, das sauberes Wasser dort produziert, wo es gebraucht wird – und dafür nur frei verfügbare Ressourcen und erneuerbare Energien nutzt.

Er erkannte, dass viel Feuchtigkeit in der Luft ist. Die Herausforderung bestand darin, sie effizient zu extrahieren und bereitzustellen. Bis 2014 verfeinerte Friesen in seinem ASU-Labor in Tempe einen funktionierenden Prototyp.

Heute sieht das Source-Hydropanel wie ein dickes Solarpanel aus, das 2,5 x 1,2 x 12,7 cm misst und auf einem Sockel mit einem Reservoir steht; Alles in allem ist es etwa einen Meter groß und wiegt etwa 300 Pfund. Das Gerät verwendet solarbetriebene Ventilatoren, um Luft ins Innere zu ziehen, wo Wasserdampf auf einem proprietären hygroskopischen Material adsorbiert wird – einem Trockenmittel, das Friesen im Nanomaßstab entwickelt hat, um seine Fähigkeit, Wasser anzuziehen, zu maximieren, ohne seine Fähigkeit zu beeinträchtigen, das Wasser, das sich darauf ansammelt, freizusetzen Oberfläche. Die von den thermischen Solarmodulen des Geräts eingefangene Wärme erhöht den Dampfdruck des Wassers, wodurch das hygroskopische Material es freisetzt. Dadurch wird die spezifische Feuchtigkeit des Wasserdampfs im Inneren des Geräts erhöht und der Taupunkt über die Umgebungstemperatur angehoben, sodass der Dampf nicht gekühlt werden muss, um ihn zum Kondensieren zu bringen – selbst in trockenen Umgebungen. Friesen nennt diesen Vorgang passive Kondensation. Von dort sammelt sich das Wasser in einem 30-Liter-Tank an der Basis des Geräts. Mehrmals täglich wird neues Wasser in die hygroskopischen Materialien eingezogen und aus diesen freigesetzt.

Das hygroskopische Material zieht effektiv nur Wassermoleküle an, sodass die kombinierten Prozesse der Adsorption und passiven Kondensation konstant Wasser von hoher Reinheit liefern. Theoretisch sei sogar aus verschmutzter Luft gewonnenes Wasser rein, sagt Friesen, und fügt hinzu, dass alle bisherigen Messungen des Unternehmens dies bestätigen. Das Wasser im Tank wird regelmäßig mit Ozon behandelt, um das Wachstum von Mikroben zu verhindern, und bevor es einen Spender erreicht, durchläuft es Calcium- und Magnesiumkartuschen, um seinen Geschmack zu verbessern.

Solarbetriebene Sensoren helfen, die Leistung des Hydropanels zu optimieren, indem sie die Umgebungslufttemperatur, die Sonnenintensität und die relative Luftfeuchtigkeit messen und diese Daten in einen Algorithmus einspeisen, der dynamisch die Geschwindigkeit steuert, mit der Lüfter Luft in das Gerät saugen. Solarbetriebene drahtlose Sender senden auch Live-Daten an eine Cloud-Datenbank, sodass Zero Mass Water alle installierten Panels überwachen kann. Das Network Operations Center des Unternehmens kann normalerweise Funktionsprobleme mit Over-the-Air-Befehlen und -Programmierung lösen; Wenn ein Wartungsproblem erkannt wird, kann das Zentrum lokale Partner hinzuziehen, um es zu beheben.

Friesen sagt, das Endergebnis der Forschung sollte keine Veröffentlichung sein. In der Wissenschaft geht es um die Schaffung neuen Wissens und die Umsetzung dieses Wissens in praktische Anwendungen.

Jedes Hydropanel kann je nach Bewölkung und Luftfeuchtigkeit bis zu fünf Liter Trinkwasser pro Tag erzeugen. An Orten mit wenig Sonnenlicht oder niedriger Luftfeuchtigkeit sind die Module weniger effizient. Aber Friesen sagt, dass die beiden Einheiten auf dem Dach seines Hauses in Arizona genug Trinkwasser für seine vierköpfige Familie plus zwei Weimaraner liefern, an einem Ort mit durchschnittlich 110 Tagen dreistelliger Temperatur und mehr als sieben Monaten einstelliger Luftfeuchtigkeit. Bei Gefrierbedingungen kann jedoch kein Wasser produziert werden, was die Nützlichkeit der Hydropaneele in winterlichen Klimazonen einschränkt.

Zero Mass Water begann 2014 in einem ehemaligen Volvo-Händler. Ende letzten Jahres hängten Arbeiter Schilder über dem Eingang eines neuen Hauptsitzes, einem versteckten Industriegebäude ein paar Kilometer südlich in Tempe. Das Unternehmen hat 65 Millionen US-Dollar an Risikokapital aufgebracht und Panels in 37 Ländern installiert, in Dschungeln und Wüsten gleichermaßen. Source Panels haben Wasser in Regierungsbüros, Hotels, Krankenhäusern, Schulen und Restaurants sowie in syrischen Flüchtlingslagern, in Puerto Rico nach dem Hurrikan Maria und für die Mädchenstiftung in Kenia bereitgestellt.

Aber die Geräte sind teuer; Jedes Hydropanel kostet 2.500 US-Dollar, und die Installation eines Arrays aus zwei kann bis zu 6.500 US-Dollar kosten. Um seiner Vision, Wasser für jeden Menschen an jedem Ort bereitzustellen, näher zu kommen, muss Friesen die Kosten senken. (Bis heute wurden viele Installationen durch Zuschüsse von Regierungen, Stiftungen und Nichtregierungsorganisationen finanziert.) In der Zwischenzeit gab er kürzlich bekannt, dass das Unternehmen eine Einheit halber Größe mit einer Stellfläche auf den Markt bringt, die sich einfacher in Solarmodule für Privathaushalte integrieren lässt. Es hat Jahrzehnte gedauert, bis Solar-PV in wirtschaftlicher und leistungstechnischer Hinsicht dorthin gelangt ist, wo es heute steht, sagt er. In nur fünf Jahren haben wir es geschafft, dieses Wachstum widerzuspiegeln und sind auf dem besten Weg, Quellwasser in einem deutlich komprimierten Zeitrahmen zugänglich zu machen.

Zero Mass Water nimmt heutzutage den größten Teil von Friesens Zeit in Anspruch, aber er bleibt Teilzeit-Associate Professor und Senior Sustainability Scientist am Nachhaltigkeitsinstitut der ASU.

Friesen, der während der Obama-Regierung zwei Amtszeiten im US Manufacturing Council innehatte, wurden bisher 63 Patente erteilt, und er gewann im vergangenen Herbst den Lemelson-MIT-Preis 2019 für Erfindungen. Der Preis in Höhe von 500.000 US-Dollar, der Erfinder ehrt, deren Arbeit verspricht, die Welt zu verbessern, spiegelte seine Arbeit sowohl an der Zink-Luft-Batterie als auch am Hydropanel wider. Ich kneife mich immer noch, sagt Friesen, der den größten Teil des Preisgeldes für die Installation seiner Hydropaneele in Bahia Hondita verwendet, einem kolumbianischen Dorf, das mit schwerer Trinkwasserknappheit konfrontiert ist. Er wählte den Installationsort aus, indem er einen Freund von Conservation International anrief und fragte, welcher Ort am dringendsten Hilfe benötige.

Gary Dirks, der leitende Direktor des Global Futures Lab der ASU, ist nicht überrascht, wie sein Kollege sein Preisgeld ausgibt, da Friesen auch Stipendien eingerichtet hat, um junge Unternehmer an der Universität zu unterstützen. Die beiden lernten sich kennen, als Friesen das Hydropanel im Betatest durchführte und Dirks zustimmte, Fördergelder in das Projekt zu lenken. Er ist ein scharfsinniger Serienunternehmer und Serienerfinder. Das mache er gerne, und er packe gerne ganz Großes an, sagt Dirks, der Friesen als einen Mann mit einer Mission beschreibt.

Das Endergebnis [der Forschung] sollte keine Veröffentlichung sein, sagt Friesen. In der Wissenschaft geht es um die Schaffung neuen Wissens und über die Übersetzung dieses Wissens – seine Reise aus dem Labor heraus in praktische Anwendungen, die das Leben der Menschen verbessern können.

Das sei nicht der eingespielte, geschliffene Verkäufer, sagt Dirks: Ihn treiben die großen Probleme der Welt.

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