Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde çalışan araştırmacılar, 10 kilogramdan daha hafif olan ve parçacıklar ile tuzları giderip içme suyu üreten taşınabilir bir desalinasyon (tuzdan arındırma) ünitesi geliştirmişler.
Çanta boyutunda olan ve cep telefonu şarj cihazından daha düşük bir güçle çalışan cihaz, internetten yaklaşık 50 dolara satın alınabilen küçük, taşınabilir bir güneş paneliyle de çalıştırılabiliyor. Cihaz otomatik olarak Dünya Sağlık Örgütünün kalite standartlarını geçen içme suyu oluşturuyor. Teknoloji, bir tuşla çalışan kullanıcı dostu bir cihazın içerisinde yer alıyor.
Diğer taşınabilir tuzdan arındırma cihazlarında suyun filtrelerden geçmesi gerekirken, bu cihaz içme suyundaki parçacıkları elektrik enerjisiyle ayırıyor. Filtre değiştirme ihtiyacının ortadan kaldırılması, uzun vadeli bakım gerekliliğini önemli oranda azaltıyor.
Ünite bu sayede, ufak adalarda yaşayan topluluklar veya açık denizlerde yolculuk yapan kargo gemileri gibi ciddi kaynak sıkıntısı çeken uzak bölgelerde kullanışlı olabilir. Doğal afetlerden kaçan sığınmacılara veya uzun dönemli askeri operasyonlar yürüten askerlere de yardımcı olabilir.
Elektronik Araştırma Laboratuvarında (RLE) çalışan ve elektrik mühendisliği, bilgisayar bilimi ile biyolojik mühendislik profesörü olan kıdemli yazar Jongyoon Han şöyle aktarıyor: “Bu cihaz aslında ben ve grubumun 10 yıllık yolculuğunun sonucu. Münferit desalinasyon işlemlerinin ardındaki fiziksel süreçler üzerinde yıllarca çalışma yürüttük fakat tüm bu gelişmeleri bir kutuya yerleştirmek, bir sistem oluşturmak ve bunun okyanusta çalıştığını göstermek, benim için cidden anlamlı ve memnuniyet verici bir deneyim oldu.”
Çalışmada Han’ın yanısıra RLE’de araştırmacı olan birinci Junghyo Yoon, eski doktora sonrası araştırma görevlisi Hyukjin J. Kwon, Northeastern Üniversitesinde doktora sonrası araştırma görevlisi olan SungKu Kang ve ABD Ordu Kabiliyetleri Geliştirme Kumandanlığında (DEVCOM) çalışan Eric Brack da yer alıyor. Araştırma üç hafta önce Environmental Science and Technology bülteninde çevrim içi yayımlandı.
Filtresiz teknoloji
Taşınabilir ticari tuzdan arındırma ünitelerinde suyun filtrelerden geçirilmesi için genelde yüksek basınçlı pompalar gerekiyor. Yoon, bu yapıları cihazın enerji verimliliğinden ödün vermeden küçültmenin çok zor olduğunu belirtiyor.
Araştırmacıların geliştirdiği yeni ünite ise filtre yerine, Han’ın grubunun 10 yıldan uzun süredir öncülüğünü yaptığı iyon derişim kutuplaşması (ICP) adı verilen bir yönteme dayanıyor. ICP işlemi suyu süzmek yerine, bir su kanalının üstüne ve altına yerleştirilen membranlara elektriksel bir alan uyguluyor. Pozitif ve negatif yüklü parçacıklar (tuz molekülleri, bakteriler ve virüsler de dahil) geçtiği sırada, membranlar bunları itiyor. Yüklü parçacıklar, nihayetinde bertaraf edilen ikinci bir su akışına yönlendiriliyor.
Hem çözülmüş hem de askıda katı maddeleri ortadan kaldıran işlem, temiz suyun kanaldan geçmesini sağlıyor. ICP sadece düşük basınçlı bir pompa gerektirdiği için diğer yöntemlerden daha düşük enerji kullanıyor.
Ancak ICP, kanalın ortasında yüzen bütün tuzları her zaman gidermiyor. Bu sebeple araştırmacılar, geriye kalan tuz iyonlarını ortadan kaldırmak üzere sisteme elektrodiyaliz şeklinde bilinen ikinci bir işlem ilave etmişler.
Yoon ve Kang, ICP ve elektrodiyaliz modüllerinin ideal kombinasyonunu bulmak için makine öğreniminden faydalanmış. En uygun düzenekte iki aşamalı ICP işlemi bulunuyor. İlk aşamada altı modülden geçen su, daha sonra ikinci aşamada üç modülden geçiyor ve sonrasında tek bir elektrodiyaliz işlemi uygulanıyor. Bu sayede sürecin kendi kendini temizlemesi sağlanırken, enerji kullanımı da en aza iniyor.
“Bazı yüklü parçacıklar iyon değişim membranında yakalanabilse de, hapsolmaları durumunda sadece elektrik alanının kutupluluğunu tersine çeviriyoruz ve böylelikle yüklü parçacıklar kolaylıkla gideriliyor” diye açıklıyor Yoon.
Enerji verimliliğini artırmak için ICP ve elektrodiyaliz modüllerini küçülten araştırmacılar, bunların taşınabilir bir cihaz içerisine sığmasını sağlamışlar. Otomatik şekilde gerçekleşen tuzdan arındırma ve saflaştırma işleminin sadece bir tuşla başladığı cihaz, uzman olmayan sıradan kullanıcılar için tasarlanmış. Tuzluluk seviyesi ve parçacık miktarı belli eşiklere ulaştığında, cihaz kullanıcıyı suyun içilebilir olduğu yönünde bilgilendiriyor.
Araştırmacılar, üniteyi kablosuz şekilde kontrol edebilen ve güç tüketimi ile sudaki tuzluluk oranı hakkında gerçek zamanlı veri sağlayan bir akıllı telefon uygulaması da geliştirmişler.
Sahil testleri
Araştırmacılar farklı tuzluluk ve bulanıklık seviyelerine sahip sularla laboratuvar deneyleri yürüttükten sonra, cihazı Boston şehrinin Carson Sahili’nde saha testine tabi tutmuşlar.
Yoon ve Kwon, kutuyu kıyının yakınına yerleştirip besleme tüpünü suya atmış. Cihaz yaklaşık yarım saat içinde plastik bir bardağı temiz ve içilebilir suyla doldurmuş.
“Birinci denemede bile başarılı olmuştu ki bu oldukça şaşırtıcı ve heyecan verici bir durum” diyor Han. “Fakat bence başarılı olmamızın asıl sebebi, yol boyunca elde ettiğimiz tüm bu küçük başarıların birikimi.”
Deney sonucunda elde edilen su Dünya Sağlık Örgütünün kalite ilkelerini aşarken, ünite askıda katı madde miktarını en az 10 kat azaltmış. Araştırmacıların prototipi, saatte 0,3 litre içme suyu üretiyor ve litre başına sadece 20 watt enerjiye ihtiyaç duyuyor.
“Şu an araştırmamızı üretim hızını artırma yönünde ilerletiyoruz” diyor Yoon.
Han, taşınabilir sistemin tasarlanmasında karşılaşılan en büyük zorluklardan birinin de, herhangi birinin kullanabileceği ve sezgiyle anlaşılan bir cihaz geliştirmek olduğunu söylüyor.
Cihazı daha kullanıcı dostu hale getirmeyi düşünen Yoon, teknolojiyi pazarlamak üzere kurmayı planladığı bir startup şirketiyle cihazın enerji verimliliğini ve üretim hızını geliştirmeyi planlıyor.
Han, laboratuvarda ise son on yılda çıkardığı dersleri içme suyundaki kirleticilerin hızla tespit edilmesi gibi desalinasyonun ötesine uzanan su kalitesi konularına uygulamak istiyor.
“Bu kesinlikle heyecan verici bir proje ve ben de şimdiye kadar kaydettiğimiz bu ilerlemeden gurur duyuyorum. Fakat yapılacak hâlâ çok şey var” diyor.
Araştırma kısmen DEVCOM Asker Merkezi, Abdul Latif Jameel Su ve Gıda Sistemleri Laboratuvarı (J-WAFS), Northeastern Üniversitesi Deneysel Yapay Zeka Doktora Sonrası Öğretim Üyesi Programı ve Roux Yapay Zeka Enstitüsünce desteklenmiş.
Yazar: Adam Zewe/Massachusetts Teknoloji Enstitüsü. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
