Wetenschappers bevorderen cloud-seeding-mogelijkheden met nanotechnologie
Een decennia oud idee, met de innovatie van vandaag, zou het antwoord kunnen zijn om door droogte geteisterde landen te helpen en klimaatverandering te bestrijden.
Sinds de jaren veertig hebben wetenschappers manieren bestudeerd om de regenval te vergroten met als doel de neerslag in droge en semi-aride klimaten te vergroten. Tegenwoordig maakt dat streven ongelooflijke sprongen en grenzen, aangezien wetenschappers en ingenieurs nanotechnologie toepassen om de effectiviteit van cloud seeding te verbeteren.
“Het wereldwijde watertekort is continu toegenomen door snelle bevolkingsgroei en economische ontwikkeling over de hele wereld. Conventionele waterbronnen zoals rivieren, meren en grondwater zijn zeer beperkt geworden, wat wetenschappers en ingenieurs ertoe aanzet om naar alternatieve waterbronnen te zoeken”, zegt Dr. Linda Zou, een professor in civiele en milieutechniek aan de Khalifa University of Science and Technology. .
Dr. Zou leidt een baanbrekend onderzoeksproject waarbij nanotechnologie wordt gebruikt om cloud-seeding-materialen te ontwikkelen. Cloud seeding is een vorm van weersverandering die nabootst wat van nature in wolken voorkomt, maar het proces verbetert door deeltjes toe te voegen die het condensatieproces kunnen stimuleren en versnellen. Dr. Zou legt echter uit: “De cloud-seeding-materialen die tegenwoordig worden gebruikt, bestaan al tientallen jaren. De informatie en technieken zijn verouderd en de effectiviteit ervan wordt niet goed begrepen.”
Cloud seeding heeft strenge eisen. Om succesvol te zijn, hebben wetenschappers de juiste luchttemperatuur, de juiste luchtvochtigheid, een oppervlak dat water aantrekt en vasthoudt, en vervolgens materiaal van de juiste grootte nodig om condensvorming op het deeltje mogelijk te maken.
“Door de vooruitgang in nanotechnologie en nanowetenschap werken we tegenwoordig aan het ontwerpen en ontwikkelen van cloud-seeding-materialen met optimale eigenschappen om ervoor te zorgen dat waterdampcondensatie effectief plaatsvindt en de bereikte regenval maximaliseert”, legt Dr. Zou uit.
Gerelateerde materialen
- Onderzoeksprogramma van de VAE voor Rain Enhancement Science
- Nieuwe cloud seeding-test in de VAE in Texas laat ‘veelbelovende resultaten’ zien , The National News, 15 augustus 2021
Volledig transcript
Laurel Ruma : Van MIT Technology Review, ik ben Laurel Ruma, en dit is Business Lab. De show die bedrijfsleiders helpt nieuwe technologieën te begrijpen die uit het laboratorium komen en op de markt komen.
Ons onderwerp vandaag is cloud seeding om de regenval te vergroten. Hoewel cloud seeding al bestaat sinds de jaren 1940, zetten klimaatverandering en bevolkingsgroei wetenschappers ertoe aan de technologie nader te bekijken, die een levensvatbare, kosteneffectieve aanvulling zou kunnen bieden op bestaande watervoorraden, met name in droge en semi-aride gebieden. zoals de Verenigde Arabische Emiraten.
Om de wetenschap vooruit te helpen, lanceerde de regering van de VAE in 2015 een nieuw initiatief, het UAE Research Program for Rain Enhancement Science. Het doel is om andere innovatieve projecten van wetenschappers op het gebied van regenverbetering van over de hele wereld te krijgen, waarbij de winnende ideeën een subsidie van $ 5 miljoen krijgen om gedurende drie jaar aan concepten te werken en te verbeteren. Twee woorden voor jou: nano-engineered materialen.
Mijn gast vandaag is dr. Linda Zou, professor civiele techniek en milieutechniek aan de Khalifa University of Science and Technology. Dr. Zou leidt een baanbrekend onderzoeksproject waarbij nanotechnologie wordt gebruikt om cloud seeding-materialen te ontwikkelen.
Ze kreeg van 2016 tot 2019 een subsidie van het UAE Research Program voor regenverbeteringswetenschap. Dr. Zou’s onderzoeksinteresses omvatten het toepassen van nanotechnologie en membraanwetenschap op de ontwikkeling van nieuwe ontziltings- en waterzuiveringsoplossingen met lage energie en hoge efficiëntie. Deze podcast is geproduceerd in samenwerking met de UAE Pavilion Expo 2020 Dubai. Welkom, dokter Zou.
Dr. Zou: Dank je, Laurel.
Laurel: Je was een van de eerste wetenschappers ter wereld die het gebruik van nanotechnologie bij cloud seeding onderzocht. Waarom ben je geïnteresseerd in dit soort onderzoek?
Dr. Zou: De cloud seeding-materialen die tegenwoordig worden gebruikt, bestaan al tientallen jaren. De informatie en technieken zijn verouderd en de doeltreffendheid ervan wordt niet goed begrepen. Door de vooruitgang in nanotechnologie en nanowetenschap werken we tegenwoordig aan het ontwerpen en ontwikkelen van cloud seeding-materialen met optimale eigenschappen om ervoor te zorgen dat condensatie van waterdamp effectief plaatsvindt en de bereikte regenval wordt gemaximaliseerd.
Laurel: Cloud seeding is een vorm van weersverandering die nabootst wat van nature in wolken voorkomt, maar het proces verbetert door deeltjes toe te voegen die het condensatieproces kunnen stimuleren en versnellen. Kunt u in meer detail uitleggen hoe cloud seeding werkt?
Dr. Zou: In de natuurlijke watercyclus op aarde straalt de zon op het oppervlak van onze planeet en verdampt het water op het oppervlak door de hitte als dampen. De minuscule dampen stijgen op in de atmosfeer zonder condensatiekernen, dit zijn kleine deeltjes. Ze blijven als dampen in de lucht en bewegen hoger en verder.
De natuurlijk voorkomende condensatiekernen zijn stofdeeltjes, vulkaanflitsen of pollen. Helaas is dergelijk materiaal onvoorspelbaar, waar en hoeveel beschikbaar is. Aan de andere kant is cloud seeding het vrijgeven van kunstmatige entmaterialen als kernen om de waterdamp in de wolk te laten condenseren tot druppels en de vorming van grote druppels te bevorderen totdat ze groot genoeg worden om als regen te vallen.
De sleutelfactoren van een succesvolle cloud seeding-operatie omvatten ten eerste het identificeren van de geschikte cloud voor seeding. Ten tweede, het hebben van het efficiënte entmateriaal voor de vorming van waterdruppeltjes.
Laurel: Om zaden met succes te vertroebelen, heb je een aantal dingen nodig: de juiste luchttemperatuur, de juiste luchtvochtigheid, een oppervlak dat water aantrekt en vasthoudt, en vervolgens materiaal van de juiste maat om condensvorming op het deeltje mogelijk te maken. Is dat correct?
Dr Zou: Ja. Ja.
Laurel: Hoewel cloud seeding al tientallen jaren bestaat, hoe brengt de technologie van vandaag het naar een hoger slagingspercentage?
Dr. Zou: Zoals we weten, is het wereldwijde watertekort continu toegenomen door snelle bevolkingsgroei en economische ontwikkeling over de hele wereld. Conventionele waterbronnen zoals rivieren, meren en grondwater zijn zeer beperkt geworden, wat wetenschappers en ingenieurs ertoe aanzet om naar alternatieve waterbronnen te zoeken.
Atmosferisch water is zo’n alternatieve hulpbron. Op dit moment moeten alle mogelijke oplossingen die het probleem van het watertekort kunnen oplossen, zorgvuldig worden onderzocht.
Nanotechnologie kan materiaal ontwikkelen en het materiaal ontwerpen met goed gecontroleerde afmetingen, vormen en eigenschappen. Het heeft dus een enorme mogelijkheid om zijn efficiëntie te verbeteren.
Laurel: Uw onderzoek richt zich op het cloud seeding-materiaal zelf, met name de nanomaterialen zoals u al zei, wat een effectiever hulpmiddel is bij het genereren van regen uit bestaande wolken. Wat zijn conventionele cloud seeding-materialen en hoe komt nanotechnologie dan in het spel?
Dr. Zou: De conventionele cloud seeding-materialen bevatten voornamelijk een hydroscopisch zoutmengsel, dat onder de juiste omstandigheden kan veranderen van zoutkristallen in waterdruppeltjes. De levering van dit zout is om ze te verdampen door ontsteking door een fakkelapparaat. Deze zoutdamp zal dan weer condenseren tot zeer kleine deeltjes. Omdat het proces willekeurig en onzeker is, kunnen de vorm en grootte van het deeltje niet worden gecontroleerd en zijn de meeste waarschijnlijk te klein om effectief cloud seeding-materiaal te zijn.
Het conventionele cloud seeding-materiaal kan alleen worden geactiveerd bij een zeer hoge relatieve vochtigheid in de atmosfeer in de wolk, zoals meer dan 75% relatieve vochtigheid. In mijn project hebben we het oppervlak van het materiaal veranderd om het reactiever te maken, zodat het kan werken bij een lagere en bredere relatieve luchtvochtigheid, waardoor de kans groter wordt dat dit gebeurt.
Om dit te bereiken, gebruiken we de nanotechnologie om titaniumdioxide-nanodeeltjes af te zetten als een schillaag en natriumchloridekristalkern. Dit door nanotechniek ontwikkelde shell-core-gestructureerde materiaal kan worden geactiveerd bij veel bredere relatieve vochtigheidsomstandigheden, zoals ongeveer 65%. Omdat de gecoate nanolagen hydrofieler en poreuzer zijn, kan het water gemakkelijk worden opgenomen en de lokale relatieve vochtigheid van de kristallen verhogen en de kans op vorming van waterdruppels vergroten. Het is dus een synergetisch effect.
Laurel: Je hebt ook een ander soort technologie ontwikkeld, ijskiemvormende deeltjes. Hoe verhouden die zich tot cloud seeding-materialen?
Dr Zou: Ja. Zoals u weet, zijn er ook koude wolken met temperaturen onder het vriespunt aanwezig in de atmosfeer. Ze zijn gemaakt van veel supergekoelde waterdampen, dus hoewel ze onder nul zijn, blijven ze als damp. Zodra zo’n wolk de ijskiemvormende deeltjes tegenkomt, vormen ze snel een groot aantal ijskristallen en omzeilen ze de vloeibare waterfase. Ze vormen dus supercoole damp en kristalliseren tot ijsdeeltjes.
IJskiemvorming is belangrijk. Het zal beginnen vanuit de dunne waterlaag gevormd op het oppervlak van het ijsnuclease, en het ijs zal snel groeien ten koste van de waterdamp in de wolk. We hebben een poreuze nanocomposiet ontworpen en vervaardigd van 3D-gereduceerde grafietoxide- en silicadioxide-nanodeeltjes. Dit materiaal kan ijskiemvorming initiëren, gevolgd door snelle groei vanaf een temperatuur van min 80 graden. Deze temperatuur is veel hoger dan bij de meeste andere bekende ijskiemvormende materialen. Vaak hebben ze min 25 graden of zelfs lager nodig.
Laurel: Dit is erg belangrijk omdat de cloud seeding-materialen heel hoog de atmosfeer in gaan waar het erg koud is, correct?
Dr Zou: Ja. Hoe hoger je omhoog gaat naar de atmosfeer, snel naar onder nul en erg koud.
Laurel: In het verleden was een van de uitdagingen die wetenschappers tegenkwamen bij het onderzoeken van cloud seeding het ontbreken van een simulatieomgeving. Je nam dit op als onderdeel van je onderzoek. Wat heb je ontwikkeld en hoe zal het toekomstig onderzoek vergemakkelijken?
Dr. Zou: Het is een uitdagend gebied en ik heb samengewerkt met het Cloud Microphysics Modeling International-team. De innovatie van mijn project zijn de karakteristieke gegevens die we uit het experiment hebben verkregen. Deze gegevens beschrijven mijn nieuwe eigendom van zaaimateriaal en hun interacties in de atmosfeer. We kunnen ze dus gebruiken als input voor het ontwikkelen van eendimensionale en driedimensionale modellering van neerslagverbetering veroorzaakt door cloud seeding, en de resultaten blijken behoorlijk succesvol te zijn.
Laurel: Kun je die weerkamer beschrijven die je bij je experimenten gebruikte? Wat zijn de uitdagingen bij het vervolgens inzetten van het materiaal in de echte wereld?
Dr. Zou: De wolkenkamer is een driedimensionale experimentele omgeving. Ze variëren in grootte. Er is een kleine, een middelgrote en een grote. De kleine kan 20 meter lang zijn en de grote kan een gebouw zijn. Ik gebruikte een kamer van acht kubieke meter met gecontroleerde vochtigheid en temperatuur. Een apparaat aan de bovenkant van de kamer geeft het zaaimateriaal vrij.
Onmiddellijk nadat het zaaien is vrijgegeven, zal de elektronische apparatuur, die elektronische optische camera’s zijn, snel vele, vele foto’s maken om het beeld vast te leggen terwijl het zaadmateriaal valt. Dan kunnen we later analyseren in welk stadium de druppeltjes gevormd zijn en met welk aantal en grootte van de druppeltjes. We kunnen een spectrumanalyse uitvoeren en hun dampcondensatie, de druppelvorming en de grootte en het aantal druppels achterhalen. Het gebruik van deze informatie is erg goed om de prestaties van verschillende materialen te vergelijken, en dat hebben we uitgebreid gedaan.
Laurel: In de echte wereld, waar we deze gecontroleerde kamer niet hebben, is het niet zo eenvoudig om dat soort succes te meten.
Dr. Zou: Ja, je hebt gelijk. In de open omgeving is het uitdagender.
Laurel: Uw onderzoek betekent een mijlpaal in de richting van meer waterzekerheid in de wereld. Wat voor effect kan cloud seeding mogelijk hebben op een land, zoals de VAE, waar doorgaans maar tien centimeter regen per jaar valt?
Dr Zou: Ja. De VAE bevindt zich in de droge klimaatzone en de regering heeft al het initiatief genomen voor dit VAE-onderzoeksprogramma voor verbetering van de wetenschap. We noemen ze UAEREP [United Arab Emirates Research Programme for Rain Enhancement Science]. Mijn onderzoekswerk is ondersteund in hun eerste cyclus en kreeg uitstekende wereldwijde bekendheid.
Vandaag kunnen we, samen met het National Center of Meteorology van de VAE, de toepassing van deze nieuwe zaaimaterialen zeer snel zien in echte operaties in de VAE om de regenval te vergroten.
Laurel: Terug naar je technologie, je hebt een patent aangevraagd op het cloud seeding-materiaal zelf. Waar ben je nu mee bezig en waar denk je nu aan?
Dr Zou: Ja. Er is één patent aangevraagd op het materiaal titaandioxide, natriumchloride voor het zaaien van warme wolken, en een ander patent is aangevraagd voor poreus grafietoxide, siliciumdioxide, nano-gecompenseerd voor het zaaien van koude wolken.
Op dit moment werk ik samen aan een project om de effecten van deze materialen in de open lucht te evalueren. Een team van piloten voert een onderzoek uit door het zaaimateriaal vrij te geven en in realtime vast te leggen en te analyseren. Het is veelbelovend om meer te weten te komen over de effecten van dit uitgangsmateriaal.
Anderzijds zet ik me ook in voor het opschalen van de productie, het verlagen van de kosten en het toepassen van de materialen. We kijken ernaar uit om de zaaimaterialen van het laboratorium naar de commerciële onderneming te verplaatsen, niet alleen voor cloud seeding-toepassingen, maar ook voor bredere toepassingen, zoals verschillende inspanningen voor weersverandering, waaronder landbouw of gewasbescherming, hagel- of stormonderdrukking en het kunstmatig maken van sneeuw. bij het skigebied. Ja, dit soort toepassingen.
Laurel: Zeker, een aantal mogelijke commerciële ondernemingen. U voert op dit moment ook financieringsinitiatieven voor uw onderzoek. Is dat correct?
Dr. Zou: We willen de materialen, zoals ik al zei, al uit het laboratorium halen en opschalen, dus het heeft een kans om de markt te bereiken en ook om veel verschillende delen van de wereld te bereiken, omdat er wereldwijd zoveel landen zijn die weermodificatie oefenen.
Laurel: Dr. Zou, heel erg bedankt dat je hier bij ons bent in het Business Lab. Dit was een absoluut, fantastisch gesprek.
Dr. Zou: Bedankt dat je me hebt.
Laurel: Dat was dr. Linda Zou, een professor civiele techniek en milieutechniek aan de Khalifa University of Science and Technology, met wie ik sprak vanuit Cambridge, Massachusetts, de thuisbasis van MIT en MIT Technology Review, met uitzicht op de Charles River.
Dat was het voor deze aflevering van Business Lab. Ik ben je gastheer, Laurel Ruma. Ik ben de directeur van Insights, de custom publishing-divisie van MIT Technology Review. We zijn in 1899 opgericht aan het Massachusetts Institute of Technology en u kunt ons elk jaar in gedrukte vorm vinden op internet en op evenementen over de hele wereld. Kijk voor meer informatie over ons en de show op onze website op technologyreview.com.
Deze show is overal beschikbaar waar je je podcasts vandaan haalt. Als je deze aflevering leuk vond, hopen we dat je even de tijd wilt nemen om ons te beoordelen en te recenseren. Business Lab is een productie van MIT Technology Review. Deze aflevering is geproduceerd door Collective Next. Bedankt voor het luisteren.
Deze podcastaflevering is geproduceerd door Insights, de custom content-afdeling van MIT Technology Review. Het is niet geschreven door de redactie van MIT Technology Review.
Gerelateerde berichten:
Operation Popeye – Military Cloud-Seeding Project by the U.S. Air Force, 1967-1972
Weermodificatietechnologie: hoe cloud seeding de regenval verhoogt
Zelf regen maken: zo werkt ‘cloud seeding’
Geo-engineering: Roemeense generaal Emil Strainu over de angstaanjagende mogelijkheden van geo-oorlogsvoering
