Forskere tvinger drikkevann ut av bølger og avføring

Selv fra 6 milliarder kilometers avstand kan ikke jorda – med sin dypblå farge – skjule sine enorme mengder av vann.

På bilder tatt av Voyager-sonden, som er på sin vei ut av solsystemet, framstår jorda fortsatt som en blå flekk.

Hele 71 prosent av planeten er dekket av vann, og hvis alt ble tappet på flasker, ville det svare til 2670 milliarder milliarder halvlitersflasker.

Dessverre er 97 prosent av vannet på kloden salt, så vi mennesker kan ikke drikke det.

Likevel er dette vannet en livsviktig kilde til drikkevann flere steder i verden, der avsaltingsanlegg forvandler de salte dråpene til rent drikkevann.

I framtiden kan avsalting vise seg å bli en viktig del av løsningen, både i Australia, som trues av Dag Null, og mange andre steder i verden som sliter med stor press på grunnvannet.

Avsalting sluker energi

Grunnen til at vi ikke bare kan drikke et glass vann fra havet, er at selv om kroppen består av om lag 60 prosent vann, tåler vi ikke så store mengder salt.

Kroppen tar opp 5–6 gram salt om dagen, mens nyrene skiller ut resten med urinen. Nyrene kan bare skille ut salt i lavere konsentrasjon enn i havvann, altså om lag 35 gram per liter.

Hvis vi drakk et glass saltvann, ville kroppen bli tvunget til å skille ut mer urin enn mengden vann i glasset for å kvitte seg med saltet. Så hvis man drikker saltvann, vil man til slutt dø av dehydrering.

Det er ingen andre land som avsalter like mye vann som Saudi-Arabia.

Landets 28 avsaltingsanlegg leverer 6,6 milliarder liter rent vann om dagen, noe som svarer til 22 prosent av alt avsaltet vann i verden.

I Perth i Australia blir omkring 45 milliarder liter saltvann til drikkevann i året, noe som svarer til 18 prosent av storbyens behov.

Selv om de tallene høres voldsomme ut, er det bare omkring én prosent av verdens samlede behov for ferskvann som i dag blir dekket av avsaltingsanlegg.

En av forklaringene er det store forbruket av elektrisitet, eller brenning av for eksempel olje eller gass, som avsaltingsprosessene krever.

Dessuten er det mange steder mye lettere å pumpe opp grunnvann. Et annet problem med avsalting er restproduktet som kalkalles saltlake – saltvann som har høyere saltkonsentrasjon enn vanlig havvann.

Saltlaken blir typisk sluppet ut i havet igjen, men den høye saltkonsentrasjonen skader dyr og planter.

Her øyner forskere imidlertid en ny mulighet for å utvinne metaller og salter som for eksempel magnesium, kalsium, litium og natriumklorid til bruk i ulike industriprosesser og i landbruket.

Forskere fra Massachusetts Institute of Technology, MIT, i Boston har blant annet utviklet en metode til å utvinne natriumhydroksid – også kalt kaustisk soda – fra saltvannet.

Kaustisk soda kjøpes i dag inn i store mengder til avsaltingsanlegg for å bearbeide vannet som skal avsaltes, slik at de membranene ikke må renses hele tiden.

Dermed vil en del av restproduktet fra avsaltingen kunne gjenbrukes i prosessen.

Omvendt osmose driver saltet ut

Det finnes to typer avsaltingsprosesser: termisk og membranbasert.

Termisk avsalting var fram til år 2000 mest utbredt og foregår ved en metode som kalles multi-stage flash distillation (MSF).

Saltvannet flyter gjennom flere kamre med ulikt trykk, temperatur og varmevekslere, noe som fører til fordamping og kondensering av vannet uten salt, mens saltlaken blir til overs.

Prosessen krever store mengder energi, og derfor har en membranbasert teknikk som kalles omvendt osmose i de siste årene blitt tatt i bruk mange steder.

Prosessen er det motsatte av osmose – et naturlig fenomen som oppstår når ferskvann er skilt fra saltvann. Det kan for eksempel være på grunn av en cellemembran som bare tillater at vannmolekyler passerer.

I et forsøk på å utlikne forskjellen i saltkonsentrasjon på hver side av membranen beveger vannmolekyler seg over i saltoppløsningen.

Ved omvendt osmose presses saltvann under høyt trykk også gjennom en membran, laget av for eksempel celluloseacetat, og over til den motsatte siden, der det er normalt atmosfærisk trykk.

Membranen lar vannmolekylene å passere, men ikke saltmolekylene eller en rekke andre molekyler som finnes i havvann. Dermed slipper bare de rene vannmolekylene igjennom.

Grafenmembran er mer effektiv

Selv om omvendt osmose ikke krever like mye energi som termisk avsalting, brukes fortsatt store mengder elektrisitet for å drive pumpene som setter saltvannet under trykk.

Derfor arbeider en rekke forskere nå for å få fornybar energi inn i avsaltingsprosessen.

Etter planen skal omvendt osmose som kun er drevet av strøm fra solceller, i 2030 produsere over 1,1 milliarder liter drikkevann om dagen i Dubai.

Video: Forstå omvendt osmose på 4 minutter

En annen løsning på energiproblemet er å skape nye typer membraner som lettere lar vannmolekylene passere, samtidig med at de blokkerer salt og urenheter effektivt.

Et av de mest lovende materialene er grafen – todimensjonale ark av karbon som bare er ett atom tykke.

Forskere fra University of Manchester har utviklet en metode der grafenoksid blir brukt som membranmateriale, slik at forskerne kan styre størrelsen på porene i membranen helt nøyaktig.

Forskerne utnytter det at saltmolekylene omgir seg med et «skall» av vannmolekyler og dermed blir for store til å smette gjennom porene i membranen sammen med de vanlige vannmolekylene.

Fordi forskerne kan styre størrelsen på porene helt presist, kan membranen slippe vannet igjennom med en god del mindre motstand, slik at avsaltingen ikke krever et så høyt trykk og krever dermed mindre strømforbruk.

Elektrisk gitter fanger vanndamp

Avsalting av saltvann kan også skje helt uten bruk av membraner.

Forskere fra MIT har utviklet en metode som kan skille salt, urenheter og plantevernmidler fra det rene vannet.

Fordelen ved å avsalte uten membraner er at de over tid blir fylt med skitt og bakterier og derfor må rengjøres eller skiftes ut.

Under prosessen som kalles sjokk-elektrodialyse flyter saltvannet gjennom et porøst glassmateriale med elektroder på hver side.

Ved å la en elektrisk strøm passere mellom elektrodene, som har positiv og negativ ladning, deler saltvannet seg opp i en saltrik region på den ene elektroden og saltfattig region på den andre.

Når strømstyrken når et kritisk punkt, skapes det en form for sjokkbølge gjennom væsken, der de to regionene skiller seg nesten helt fra hverandre.

Ifølge forskerne kan metoden fjerne opptil 99,99 prosent av saltet i vannet.

Strøm inngår også i et annet vannkonsept fra MIT. Her skal ikke strømmen drive ferskvann ut av saltvann, men ut av damp.

Forskerne har utviklet en metode til å høste vanndamp fra kraftverk. I dag blir 39 prosent av ferskvannet i USA brukt til å avkjøle kraftverk ved produksjon av strøm.

En stor del av vannet slippes ut til atmosfæren som vanndamp, og dermed går enorme mengder ferskvann tapt.

Det vil forskerne bak konseptet Infinite Cooling gjøre en slutt på.

De har utviklet en teknologi der et gitternett fanger opp dråper fra vanndampen.

Normalt vil denne metoden samle opp omkring en–tre prosent av vannet i dampen – som blir gjort om til vanndråper – men forskerne har oppdaget at de ved å la en svak elektrisk strøm passere gjennom gitteret kan ionisere luften, slik at den blir elektrisk ladet.

Dermed tiltrekker gitteret en mye større del av vanndampen, som ellers ville suse forbi og forsvinne ut i atmosfæren.

Det oppsamlede vannet kan gjenbrukes i kraftverkets kjølesystem eller slippes ut til vannforsyningen i en by.

Og jakten på vannet stopper ikke her. Selv vann i avføring kan utvinnes til drikkevann.

I 2015 ble en såkalt omniprosessor startet i Senegals hovedstad Dakar.

Video: Dakars slam omdannes til vand og strøm

Byen har ikke noe moderne kloakkanlegg og har store problemer med spillvann og slam fra primitive toaletter.

Men nå blir avføring fra 50 000-100 000 innbyggere gjort om til rent drikkevann.

Sammen med de andre tekniske løsningene skal omniprosessoren sikre en framtid der ingen trenger å tørste.