(Bloomberg) — Güney Kaliforniya’daki bir depoda bulunan bir laboratuvarda, bilim insanı Heng Su küresel su krizine dünyayı değiştirebilecek bir çözüm ortaya koyuyor. Küçük, elde taşınabilen nesne, minyatür eski moda bir apartman radyatörüne benzeyen üst üste dizilmiş beyaz kanatçıklardan oluştuğu için sıradan görünüyor. Ancak Su cihazı bir teraziye koyduğunda, saniyeler içinde sessizce ağırlık kazanıyor. Dakikalar geçtikçe, giderek ağırlaşıyor. Bunun nedeni, cihazın çevredeki havadan görünmez bir şekilde su molekülleri toplaması.
Birkaç adım ötede, su toplayıcılarından dördü şeffaf bir kuş yuvası şeklinde plastik bir muhafazanın içinde duruyor. İçerideki sıcak hava toplayıcılardan H2O moleküllerini söküyor ve bir kondansatör su buharını sıvıya dönüştürüyor ve bu sıvı bir behere damlıyor. Metalik organik çerçeveler (MOF’ler) adı verilen teknoloji elektrik gerektirmiyor ve sadece ortam güneş ışığıyla su üretebiliyor. Irvine merkezli girişim Atoco’nun giderek kuraklaşan bir dünyada su sağlama vizyonu.
Bu, bilim insanlarının teknolojiyi mükemmelleştirmek için çalışırken yalnızca birkaç mililitre su üretmek üzere tasarlanmış bir laboratuvar prototipidir. Şirket, bir topluluk için günde binlerce litre ultra saf su üretebilecek tam ölçekli bir ticari versiyon inşa etmeyi planlıyor. Bir konut kliması büyüklüğündeki bir ünite evinize su sağlayabilir.
2021 yılında Atoco’yu kuran ve Kaliforniya Üniversitesi Berkeley Kampüsü’nde MOF’lara öncülük eden kimya profesörü olan Omar Yaghi, “Nem seviyesinden bağımsız olarak yılın herhangi bir zamanında, dünyanın herhangi bir yerinde havadan su toplayabilirsiniz, karbon ayak izi bırakmaz” diyor.
Birleşmiş Milletler’in 2024 analizine göre dünya nüfusunun yarısı su kıtlığı yaşıyor ve %25’i aşırı yüksek su stresi yaşıyor. Dünyanın beşinci büyük ekonomisine sahip olan Kaliforniya gibi zengin bir yerde bile, Haziran ayında yayınlanan bir rapora göre yaklaşık bir milyon sakin temiz içme suyuna erişemiyor.
Öte yandan, iklim değişikliğinin tetiklediği sıcak hava dalgaları ve kuraklıklar, dünya genelinde su kıtlığını daha da kötüleştiriyor, ne zengini ne de fakiri etkiliyor ve daha yoğun ve sık görülen fırtınalar su arıtma tesislerini devre dışı bırakabiliyor.
Ancak en kurak gökyüzü bile su içerir. ABD Jeoloji Araştırması, atmosferin 12.900 kilometreküp su veya dünyadaki göllerde bulunanın yaklaşık %14’ünü içerdiğini tahmin ediyor. MOF’lar, bunun bir kısmını hasat etmenin benzersiz bir yolunu sunar.
Doctor Who’nun Tardis’i gibi, malzeme içeride daha büyüktür. Bir gram MOF’un yüzey alanı bir futbol sahası kadar olabilir. Atoco CEO’su Samer Taha, bir kağıt parçası alıp onu olabildiğince buruşturduğunuzu hayal edin diyor. Artık orijinal boyutunun bir kısmı kadardır ancak katlamalar içinde aynı yüzey alanını korur.
Atoco’nun moleküler düzeyde yaptığı şey budur, gözenekli boşluklarla dolu nano ölçekli kristal yapılar tasarlıyor. MOF’ları, H2O gibi belirli molekülleri çeken elementlerden yapılmıştır.
Şirket, merkez ofisindeki ana laboratuvarın dışında küçük bir odada MOF’larını pişirmeye başlar. Orada, kehribar rengi bir sıvı, onu ince bir toza indirgeyecek bir santrifüjün yanındaki bir beherde kaynar. Kimyagerler, metalik molekülleri birbirine bağlayan ve MOF’un kristal yapısına stabilite sağlayan organik “bağlayıcı” moleküller yarattıkları yer burasıdır. İnorganik moleküller, atmosferden çekilen H2O molekülleri için mikroskobik su tankları görevi gören boşluklar oluşturur. Boşlukların iç kısımlarına bağlanan ilk su molekülleri, diğerlerinin bağlandığı “tohumlar” haline gelir.
MOF’lar çoğunlukla karbon, nitrojen, hidrojen, bakır ve alüminyum gibi yaygın elementlerden yapılır. Ancak Taber, Atoco’nun ihtiyaç duyduğu bazı özel moleküllerin kıtlığı nedeniyle pahalı olabileceğini ve bilim insanlarının maliyetleri düşürmek için bunları şirket içinde sentezlemek için çalıştığını söylüyor. Yan odada, birkaç varil yerde duruyor. Kıdemli bilim insanı Jacob Kanady, aynı nano ölçekli kristal yapılardan yapılmış beyaz bir tozla dolu olan birinin kapağını açıyor. Bir bağlayıcı eklendiğinde, toz katılaşıyor ve böylece laboratuvar su toplayıcısı için kanatçıklara dönüştürülebiliyor.
Atmosferden su toplamanın geleneksel yöntemleri, su buharı sıvılaşana kadar havayı soğutmaya dayanır, bu da büyük miktarda elektrik tüketen bir işlemdir. Ayrıca düşük nem oranına sahip ortamlarda etkili değildir. Kurak bölgelerde su üretmek için bir diğer seçenek olan tuzdan arındırma, muazzam enerji gerektirir, deniz yaşamını etkiler ve geride tuzlu su atığı bırakır.
MOF’lar bu engelleri aşar ve hiç elektrik kullanmadan veya çok az elektrik kullanarak yerinde saf su üretir. Yaghi’nin görüşüne göre bunlar dönüşümsel bir teknolojidir. “İnsanlık tarihinde ilk kez, malzemeleri atomik ve moleküler düzeyde değiştirebilir ve belirli bir uygulama için uygun olacak şekilde hassas bir şekilde tasarlayabilirsiniz” diyor.
Diğer girişimler atmosferik su hasadı için MOF’lar geliştiriyor. Ancak Atoco’nun bir avantajı var: Yaghi materyali geliştirdi ve retiküler kimya olarak bilinen bir alanda çalışırken onu mükemmelleştirmeye devam etti. Taha, “Profesör Yaghi’nin son on yılda yaptığı ilerlemeler bizi rekabette önde tutuyor” diyor. Atoco’nun teknolojisini ne zaman piyasaya süreceğini söylemeyi reddetti ancak “çok uzak değil” diyor.
Yaghi ile iş birliği yapan Chicago Üniversitesi’nde kimya ve moleküler mühendislik profesörü olan Laura Gagliardi’ye göre, Atoco ve rakiplerinin karşılaştığı zorluk, MOF’ları seri üretmek için uygun maliyetli süreçler geliştirmektir. Atoco, MOF’larını büyük ölçekte üretmenin fiyatı hakkında yorum yapmayı reddetti ancak şirketin litre başına 1 sent veya daha azına su hasadı yapma yolunda olduğunu söylüyor.
Gagliardi, “Bu teknolojinin çok iyi çalıştığını anlayacak kadar uzun süre bu insanlarla çalıştım ve bu sahada kanıtlandı” diyor.
Ağustos 2022’de Yaghi ve UC Berkeley meslektaşları, gezegenin en sıcak ve en kurak yerlerinden biri olan Kaliforniya’nın Ölüm Vadisi Milli Parkı’nda el tipi bir su toplayıcının prototipini test ettiler. Toplayıcı geceleri atmosferden su moleküllerini emdi. Gün boyunca, güneş ışığı toplayıcıyı ısıttıkça ve bir yoğunlaştırıcı daha sonra su buharını sıvılaştırdıkça bu moleküller serbest bırakıldı. Bilim insanlarının Nature Water dergisinde yayınladığı 2023 tarihli bir makaleye göre, yer seviyesindeki sıcaklık 60C’ye (140F) ulaştığında ve ortalama nem %14 olduğunda, toplayıcı günde 4 ons (118 mililitre) ile 7 ons (207 mililitre) arasında su üretti. Ortalama bir kişinin günlük ihtiyaçlarını karşılamaya yetmese de, teknolojinin vaadini gösteriyor.
Havadan su, tuzdan arındırmanın bir seçenek olmadığı ve düşük nem nedeniyle geleneksel atmosferik su hasadının etkisiz olduğu dünyanın giderek kuraklaşan ve yoksullaşan bölgeleri için bir oyun değiştirici olabilir. Geleneksel hasatçılar ayrıca su buharıyla birlikte hava kirliliğini de toplar ve yakalanan suyun ek bir maliyetle arıtılmasını gerektirir. Öte yandan MOF’lar yalnızca H2O moleküllerini yakalamak, kirleticileri filtrelemek ve nanoplastikler, PFAS kimyasalları ve diğer toksik maddelerden arındırılmış su üretmek için tasarlanmıştır.
Taha, “Başlangıçta tüm çabalarımızı su kıtlığıyla mücadele etmeye ve kurak koşullarda faaliyet göstermeye odaklıyoruz. Bu aslında bizim rekabet avantajımız çünkü kurak koşullarda bile su hasadı yapabiliyoruz, diğerleri bunu yapamıyor” diyor.
Atoco, çalışması için yalnızca güneş ışığına ihtiyaç duyan veya yenilenebilir enerjiyle çalıştırılabilen su toplayıcıları tasarlıyor. Bu, bir toplayıcının güneş parlamadığında da çalışmasına ve MOF’lara daha fazla molekül çekmek için fanlar kullanmasına olanak tanır ve bu süreçte daha fazla su üretir.
ABD ordusu, Atmosferik Su Çıkarma programını kurarak bu tür çabaları destekledi. 2020’de, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı, General Electric’e askerlere su sağlayabilecek MOF teknolojisini geliştirmesi için 14 milyon dolarlık bir hibe verdi ve GE, Yaghi ve Gagliardi’yi projeye danışmanlık yapmaları ve proje üzerinde çalışmaları için görevlendirdi.
Gagliardi, “GE’nin şu anda DARPA’ya teslim ettiği elektrikli cihaz, yalnızca iki kilogram MOF kullanarak günde 22 litre su teslim ediyor” diyor. “Bu yüzden bence tüm bunlar çok umut verici.”
Mart ayında, GE’nin enerji işinin bir yan kuruluşu olan GE Verona, teknolojiyi ticarileştirmek için AirJoule adlı yeni kurulan Montana Technologies ile bir ortak girişim duyurdu. AirJoule, buharlaştırıcı soğutma yoluyla enerji açısından verimli bir klima sağlayan bir MOF atmosferik toplayıcı geliştirdi. AirJoule’un yeniliklerinden biri, MOF’ların H2O moleküllerini adsorbe ederek ürettiği ısıyı, bunları yoğuşma için çıkarmaktır. Özel bir vakum kompresörü ve kondansatörü, su buharını sıvıya dönüştürür.
Montana Technologies İcra Kurulu Başkanı Matt Jore, AirJoule’un atmosferik hasat teknolojisi için iki büyük potansiyel pazarın, şu anda uzak bölgelerde konuşlanmış birliklere su taşımak zorunda olan ABD ordusu ve soğutma için muazzam miktarda su ve elektrik tüketen ve kuraklık çeken bölgelerde kritik noktalar haline gelen hızla büyüyen veri merkezleri olduğunu söylüyor.
“Su tüketimi nedeniyle veri merkezlerine izin verilmiyor, bu yüzden büyük bir fırsatımız var” diyor.
Jore, kullandığı MOF’ların maliyetinin kilogram başına 5.000 dolardan kilogram başına 50 doların altına düştüğünü söylüyor. Şirket, makinenin üretim öncesi modellerini üretti ve 2025’te klima pazarı için cihazları üretmeye başlamayı planlıyor.
AirJoule belirli endüstrileri potansiyel müşteriler olarak görürken, Atoco’dan Taha daha büyük düşünüyor. Pazarın, “tutarlı, istikrarlı ve saf su temini isteyen ve hükümetten gelen suya güvenmek istemeyen” herkes olduğunu söylüyor.
