Verdampingsversnelling: hoe zonlicht water sneller laat verdampen dan de natuur zelf kan
Zet een pan water in de volle zon en er verdampt, na uren, misschien een paar millimeter. Leg diezelfde hoeveelheid zonlicht op een dun, zwart, sponsachtig materiaal dat op het wateroppervlak drijft, en dezelfde hoeveelheid water is binnen een fractie van de tijd verdwenen als damp. Dat verschil is de kern van wat onderzoekers verdampingsversnelling noemen: technieken die verdamping van water vele malen sneller laten verlopen dan in de natuur, met dezelfde hoeveelheid zonne-energie.
Het klinkt als een subtiele truc, maar de gevolgen zijn groot. Verdamping is namelijk de motor achter ontzilting, waterzuivering en het terugwinnen van vocht uit lucht of afvalwater. Als je dat proces goedkoper en sneller kunt maken zonder extra energie te verbruiken, kun je schoon drinkwater maken op plekken zonder elektriciteitsnet, met eenvoudige, goedkope apparaten die op zonlicht draaien.
Wat is het precies?
Bij gewone verdamping van een emmer water verwarmt de zon eigenlijk de hele waterkolom: veel van die warmte gaat verloren aan de bodem en de zijkanten, en alleen het bovenste laagje water verandert echt in damp. Dat is inefficiënt.
Verdampingsversnelling draait om het omzeilen van dat probleem met fotothermische materialen: donkere, poreuze materialen die zonlicht bijna volledig absorberen en die warmte omzetten in hitte, precies op het grensvlak tussen water en lucht. Denk aan koolstofzwart, grafeenoxide, of speciale metaaldeeltjes die licht extra sterk opnemen (plasmonische nanodeeltjes).
Deze materialen worden verwerkt tot een drijvende structuur, vaak een soort spons of schuim, met kleine kanaaltjes die water vanuit de onderliggende voorraad omhoog trekken via capillaire werking, hetzelfde principe waarmee een rietje of een stukje keukenrol vocht opzuigt. Er komt dus steeds een dun laagje vers water naar het hete oppervlak, terwijl de rest van de watermassa koud en dus geïsoleerd blijft.
Het resultaat: bijna alle opgevangen zonne-energie gaat rechtstreeks naar het verdampen van dat dunne laagje, in plaats van naar het opwarmen van water dat toch niet verdampt. Onderzoekers spreken van omzettingsrendementen van zonlicht naar waterdamp van 80 tot ruim 90 procent, tegenover een paar procent bij een open wateroppervlak.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is waterschaarste. Grote delen van de wereld hebben geen betrouwbare toegang tot drinkwater, maar wel volop zonlicht en vaak brak of zout water in de buurt. Traditionele ontziltingsinstallaties, zoals omgekeerde-osmose-fabrieken, werken goed maar hebben veel elektriciteit en onderhoud nodig. Verdampingsversnelling belooft een low-tech alternatief: geen pompen, geen stroomaansluiting, alleen zon.
Daarnaast is het proces bruikbaar voor waterzuivering in bredere zin. Omdat alleen waterdamp verdampt, blijven zouten, zware metalen en veel verontreinigingen achter in de restvloeistof. Wat je opvangt na condensatie, is relatief schoon water.
Een derde doel is industrieel: fabrieken die zout of vervuild afvalwater lozen, moeten dat water vaak indampen om vaste reststoffen over te houden (zogeheten zero liquid discharge, oftewel geen vloeibare lozing). Sneller en goedkoper indampen bespaart daar energie en kosten. Ten slotte onderzoeken sommige groepen of vergelijkbare materialen ook vocht uit de lucht kunnen onttrekken, voor waterwinning in droge gebieden.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoek naar dit soort systemen is de afgelopen tien jaar sterk gegroeid, met verschillende invloedrijke demonstraties:
- Onderzoekers rond Gang Chen aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) publiceerden vanaf 2016 werk aan drijvende, bio-geïnspireerde verdampers die zonlicht op het wateroppervlak concentreren en zo een sterk verhoogde verdampingssnelheid haalden.
- De groep van Liangbing Hu aan de University of Maryland ontwikkelde vanaf ongeveer 2017 verdampers gemaakt van behandeld hout: het natuurlijke vaatstelsel van de boom (dat normaal water naar de bladeren transporteert) blijkt uitstekend te werken als capillair kanaal voor deze toepassing.
- De onderzoeksgroep van Peng Wang, verbonden aan universiteiten in de Golfregio (onder meer KAUST) en Hongkong, werkte aan membranen en schuimstructuren die specifiek gericht zijn op stabiele, schaalbare zonneverdamping voor ontzilting.
- In China zijn talrijke academische groepen actief met materialen als MXenes (dunne, geleidende metaalverbindingen) en grafeenoxideschuim, gericht op goedkopere en duurzamere fotothermische materialen.
- Op bedrijfsmatig vlak ontwikkelt het in Nederland opgerichte bedrijf Desolenator zonne-aangedreven ontziltingssystemen voor gebruik in gebieden zonder stabiel stroomnet, al is hun techniek niet in alle opzichten identiek aan de laboratoriumopstellingen uit academisch onderzoek.
Hoe ver is de techniek?
In het laboratorium zijn de resultaten indrukwekkend: rendementen van 80 tot boven de 90 procent zijn herhaaldelijk aangetoond, en verdampingssnelheden die drie tot vijf keer hoger liggen dan bij open water onder dezelfde zoninstraling. Dat is de reden waarom het veld al jaren veel wetenschappelijke aandacht krijgt.
De vertaalslag naar de praktijk blijkt echter lastiger. Buiten het lab krijgen materialen te maken met stof, algengroei (biofouling) en, bij zout water, kristallisatie van zout op en in het materiaal, wat de poriën verstopt en de prestaties na verloop van tijd flink laat dalen. Ook de duurzaamheid van de materialen zelf, jarenlang blootstelling aan zon, wind en regen, is nog een open vraag: veel gepubliceerde resultaten zijn gebaseerd op proeven van dagen tot weken, niet jaren.
Opschaling is een tweede obstakel. Een laboratoriumdemonstratie van een paar vierkante centimeter is iets anders dan een systeem dat genoeg water levert voor een dorp. De kosten van sommige fotothermische materialen, zeker die met edele metalen zoals goud, zijn bovendien te hoog voor grootschalige toepassing, wat onderzoek naar goedkopere alternatieven (koolstofgebaseerd, houtgebaseerd) aandrijft.
Kortom: de wetenschap is overtuigend, maar het is eerlijk om te zeggen dat verdampingsversnelling zich grotendeels nog in de fase van pilotprojecten en kleinschalige commerciële toepassingen bevindt, niet in grootschalige, bewezen infrastructuur.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is sterk academisch gedreven, met belangrijke bijdragen van Amerikaanse universiteiten zoals MIT en de University of Maryland, onderzoeksinstellingen in de Golfregio zoals KAUST in Saudi-Arabië, en een groot en groeiend aantal Chinese universiteiten en instituten, waaronder groepen verbonden aan de Chinese Academy of Sciences. Ook Singaporese en Australische universiteiten publiceren geregeld over nieuwe materialen op dit gebied.
Aan de toepassingskant zijn het vooral kleinere, gespecialiseerde bedrijven en start-ups die met deze technologie experimenteren voor ontzilting en drinkwatervoorziening in ontwikkelingslanden en afgelegen gebieden, vaak in samenwerking met humanitaire organisaties of ontwikkelingsfondsen. Grote, gevestigde waterbedrijven zijn tot nu toe terughoudender en zetten vooral nog in op bewezen technieken zoals omgekeerde osmose.