De l'eau là où vous en avez besoin

Cody Friesen, PhD '04, a inventé des panneaux qui récupèrent l'eau de l'air, même dans l'Arizona aride. Et c'est après qu'il a compris comment fabriquer des piles rechargeables à haute énergie qui sont bon marché et respectueuses de l'environnement. Troueur d'art

En 2018, Cody Friesen, PhD '04, a parcouru la brousse de la vallée du Rift au Kenya pour comprendre les périls auxquels les filles de la Samburu Girls Foundation étaient confrontées lorsqu'elles sortaient chercher de l'eau.

Chaque jour, les filles vivant dans l'organisation de secours devaient marcher deux miles - souvent devant des hommes qui les considèrent comme une propriété - jusqu'à l'eau la plus proche dans un pays où la dernière décennie a été marquée par des sécheresses torrides.

Là, sur les rives boueuses d'une rivière criblée de choléra, Friesen a vu les traces d'hyènes et d'hommes, rappels de ce qui pouvait attendre toute fille qui s'attardait.

La scène a également rappelé qu'environ 2,2 milliards de personnes dans le monde manquent d'eau potable, y compris ces filles kenyanes vulnérables à 200 miles au nord de Nairobi.

Friesen a éliminé ce trajet quotidien vers la rivière en installant un réseau de 40 appareils ressemblant à des panneaux solaires sur le terrain de la fondation. Il a conçu l'appareil, qu'il appelle Source Hydropanel, pour extraire l'eau de l'air, alimenté uniquement par l'énergie solaire. Il a résolu la crise de la sécurité de l'eau au refuge pour filles kenyanes - et Friesen dit que son appareil peut faire de même pour les personnes du monde entier qui n'ont pas accès à de l'eau potable.

Les habitants de Bahia Hondita, sur la péninsule de La Guajira en Colombie, obtiennent désormais de l'eau à partir d'un ensemble de panneaux hydroélectriques Source au lieu de dépendre de l'eau saumâtre d'un forage local.

ZÉRO MASSE D'EAU

Friesen s'est d'abord intéressé à l'eau en grandissant dans ce qui était alors une banlieue relativement rurale au sud-est de Phoenix. En tant qu'enfant faisant de la randonnée dans le désert, nous marchions toujours vers un plan d'eau comme un ruisseau ou une source, dit-il. Dès mon plus jeune âge, apprécier l'importance et la signification de l'eau n'était qu'une partie de ma vie. Il avait aussi toujours été curieux de savoir comment les choses fonctionnaient, le genre de gamin qui démontait la nouvelle petite voiture le matin de Noël et la faisait remonter à midi. Ainsi, en tant qu'adolescent parcourant des peuplements de peupliers et de sources naturelles lors de randonnées, il réfléchissait non seulement à la valeur de l'eau, mais pensait également à l'infrastructure qui l'a acheminée du fleuve Colorado au métro de Phoenix. Il s'est dit qu'il y avait une meilleure alternative à la solution existante : endiguer l'une des rivières les plus puissantes d'Amérique du Nord et pomper son eau sur des centaines de kilomètres.

Lorsqu'il a commencé ses études de premier cycle à l'Arizona State University, il s'est tourné vers la science des matériaux, qu'il appelle un trio de physique, de chimie et de génie mécanique. Ses recherches doctorales au MIT se sont concentrées sur les propriétés des films métalliques minces et la mécanique quantique de la catalyse liée aux piles à combustible. Après avoir obtenu son doctorat en 2004, il est retourné à l'ASU, rejoignant la faculté des sciences des matériaux des écoles d'ingénierie Ira A. Fulton.

Dans son nouveau laboratoire à l'ASU, il s'est concentré sur la construction d'une meilleure batterie. En trois ans, Friesen a créé une batterie zinc-air rechargeable et a fondé une startup appelée Fluidic Energy pour la commercialiser. Il a suivi cela avec son hydropanneau eau-air et a lancé en 2014 sa deuxième entreprise, Zero Mass Water, pour la raffiner, la fabriquer et la distribuer.

Friesen décrit des origines et des chemins de découverte similaires pour chacun. Dans les deux cas, il a commencé par essayer de comprendre puis de recadrer les problèmes d'ensemble. Il a ensuite cherché des moyens de les résoudre en utilisant des matériaux les mieux adaptés aux défis chimiques et physiques particuliers en cause. C'est une approche qui, selon lui, a été inculquée au MIT, où les gens se concentrent sur des défis difficiles et réfléchissent constamment à la façon de concilier de nouvelles solutions, dit-il.

La pile zinc-air a vu le jour lorsque Friesen a regardé le tableau périodique et a demandé quelle serait la pile la moins chère possible. Cela l'a amené à penser à l'oxygène de l'air comme cathode et au zinc comme anode. Les piles zinc-air existaient depuis environ 100 ans, mais personne ne savait comment les recharger. Ils déchargent l'énergie stockée dans le zinc en l'exposant à l'oxygène de l'air, en créant de l'oxyde de zinc et en libérant des électrons. Mais la recharge de la batterie provoque l'accumulation de cristaux épineux, ou dendrites, de zinc à la surface de l'anode, ce qui rend impossible de la recharger plus de quelques fois. Pour contourner le problème des dendrites, Friesen a créé un échafaudage en nickel en couches avec un réseau de trous de différentes tailles ; les couches sont caractérisées par des propriétés électriques différentes. Le zinc est plaqué sur l'échafaudage, qui fonctionne alors comme une anode poreuse, et un mélange d'hydroxyde de potassium et d'additifs à base de liquide ionique sert d'électrolyte. Lorsque l'électrolyte traverse l'anode pendant la charge et la décharge, ce mélange agit avec les pores et la structure en couches pour empêcher la formation et l'accumulation de dendrites. En conséquence, les batteries peuvent être rechargées à plusieurs reprises et sont conçues pour durer plus de 10 ans.

L'appareil a coché toutes les cases. Il a été construit avec des matières premières bon marché, non toxiques et abondamment disponibles. Et il pourrait stocker plus d'énergie qu'une batterie lithium-ion à un coût bien inférieur, potentiellement pour aussi peu que 10 $ par kilowattheure à grande échelle.

Les batteries de Friesen pourraient maintenir l'alimentation pendant 12 heures ou plus pendant les pannes prolongées. Dans les zones sans accès au réseau, ils pourraient être chargés par des panneaux solaires et utilisés pour fournir de l'électricité. L'invention a incité le MIT Technology Review à l'inclure sur la liste TR35 2009 récompensant les innovateurs exceptionnels de moins de 35 ans.

En 2018, Fluidic Energy est rachetée par le chirurgien et entrepreneur médical Patrick Soon-Shiong et devient NantEnergy. La société affirme avoir fourni de l'électricité à 200 000 personnes en Afrique rurale et cite un projet de démonstration à Madagascar, où les trois quarts de la population n'ont pas d'électricité. Bien qu'elle ait licencié la moitié de ses effectifs l'automne dernier, NantEnergy a déclaré avoir installé 3 000 systèmes dans neuf pays l'année dernière et affirme qu'au total, elle a fourni une alimentation de secours pendant plus d'un million d'heures de pannes prolongées.

Alors que la batterie zinc-air passait du laboratoire au marché, Friesen travaillait déjà sur son prochain grand défi. Depuis 2010, il souhaitait développer un appareil capable de produire de l'eau propre là où elle est nécessaire, et d'utiliser uniquement des ressources librement disponibles et des énergies renouvelables pour ce faire.

Il s'est rendu compte qu'il y avait beaucoup d'humidité dans l'air. Le défi était de savoir comment l'extraire et le livrer efficacement. En 2014, Friesen mettait au point un prototype fonctionnel dans son laboratoire ASU à Tempe.

Aujourd'hui, le panneau hydroélectrique Source ressemble à un panneau solaire épais mesurant huit pieds sur quatre pieds sur cinq pouces au sommet d'une base avec un réservoir; tout compte fait, il mesure environ trois pieds et pèse environ 300 livres. L'appareil utilise des ventilateurs à énergie solaire pour aspirer l'air à l'intérieur, où la vapeur d'eau est adsorbée sur un matériau hygroscopique exclusif - un déshydratant que Friesen a conçu à l'échelle nanométrique pour maximiser sa capacité à attirer l'eau sans compromettre sa capacité à libérer l'eau qui s'accumule sur son surface. La chaleur capturée par les panneaux solaires thermiques de l'appareil augmente la pression de vapeur de l'eau, provoquant la libération du matériau hygroscopique. Cela augmente l'humidité spécifique de la vapeur d'eau à l'intérieur de l'appareil, élevant le point de rosée au-dessus de la température ambiante, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de refroidir la vapeur pour la faire se condenser, même dans des environnements arides. Friesen appelle ce processus condensation passive. De là, l'eau s'accumule dans un réservoir de 30 litres à la base de l'appareil. De l'eau nouvelle est à plusieurs reprises aspirée et libérée des matériaux hygroscopiques plusieurs fois par jour.

Le matériau hygroscopique n'attire efficacement que les molécules d'eau, de sorte que les processus combinés d'adsorption et de condensation passive fournissent constamment une eau de haute pureté. En théorie, même l'eau récoltée à partir de l'air pollué est pure, dit Friesen, qui ajoute que toutes les mesures de l'entreprise à ce jour le confirment. L'eau du réservoir est régulièrement traitée à l'ozone pour empêcher la croissance des microbes, et avant d'atteindre un distributeur, elle passe à travers des cartouches de calcium et de magnésium pour améliorer son goût.

Les capteurs solaires aident à optimiser les performances du panneau hydroélectrique en mesurant la température de l'air ambiant, l'intensité solaire et l'humidité relative, en alimentant ces données dans un algorithme qui contrôle dynamiquement la vitesse à laquelle les ventilateurs aspirent l'air dans l'appareil. Les émetteurs sans fil à énergie solaire envoient également des données en direct à une base de données cloud, permettant à Zero Mass Water de surveiller tous les panneaux installés. Le centre d'exploitation du réseau de l'entreprise peut généralement résoudre les problèmes fonctionnels avec les commandes et la programmation en direct ; si un problème de maintenance est détecté, le centre peut faire appel à des partenaires locaux pour y remédier.

Friesen dit que le résultat final de la recherche ne devrait pas être une publication. Le milieu universitaire concerne la création de nouvelles connaissances et la traduction de ces connaissances en applications pratiques.

Chaque hydropanneau peut générer jusqu'à cinq litres d'eau potable par jour, en fonction de la couverture nuageuse et de l'humidité. Dans les endroits peu ensoleillés ou peu humides, les panneaux sont moins efficaces. Mais Friesen dit que les deux unités sur le toit de sa maison en Arizona fournissent suffisamment d'eau potable pour sa famille de quatre personnes plus deux Weimaraners, dans un endroit avec une moyenne de 110 jours de températures à trois chiffres et plus de sept mois d'humidité à un chiffre. Cependant, l'eau ne peut pas être produite dans des conditions de gel, ce qui limite l'utilité des panneaux hydroélectriques dans les climats hivernaux.

Zero Mass Water a débuté en 2014 dans une ancienne concession Volvo. À la fin de l'année dernière, les travailleurs accrochaient des pancartes à l'entrée d'un nouveau siège social, un bâtiment industriel caché à quelques kilomètres au sud de Tempe. La société a levé 65 millions de dollars en capital-risque et a installé des panneaux dans 37 pays, dans les jungles comme dans les déserts. Des panneaux de source ont fourni de l'eau dans les bureaux du gouvernement, les hôtels, les hôpitaux, les écoles et les restaurants, ainsi que dans les camps de réfugiés syriens, à Porto Rico à la suite de l'ouragan Maria, et pour la fondation des filles au Kenya.

Mais les appareils sont chers ; chaque hydropanel coûte 2 500 $, et l'installation d'un ensemble de deux peut coûter jusqu'à 6 500 $. Pour progresser vers sa vision de fournir de l'eau à chaque personne en tout lieu, Friesen devra réduire les coûts. (À ce jour, de nombreuses installations ont été financées par des subventions de gouvernements, de fondations et d'ONG.) Entre-temps, il a récemment annoncé que l'entreprise déploie une unité demi-taille avec une empreinte plus facile à intégrer aux panneaux solaires résidentiels. Il a fallu des décennies à l'énergie solaire photovoltaïque pour arriver là où elle est aujourd'hui avec une efficacité économique et de performance, dit-il. En seulement cinq ans, nous avons réussi à refléter cette croissance et sommes sur la bonne voie pour rendre l'eau de source accessible dans un délai considérablement réduit.

Zero Mass Water occupe la majeure partie du temps de Friesen ces jours-ci, mais il reste professeur agrégé à temps partiel et scientifique principal en durabilité à l'institut de durabilité de l'ASU.

Friesen, qui a servi deux mandats au US Manufacturing Council sous l'administration Obama, a obtenu 63 brevets à ce jour, et il a remporté le prix Lemelson-MIT 2019 pour l'invention l'automne dernier. Le prix de 500 000 $, qui honore les inventeurs dont le travail promet d'améliorer le monde, reflète son travail à la fois sur la batterie zinc-air et sur l'hydropanneau. Je me pince encore, dit Friesen, qui utilise la majeure partie de l'argent du prix pour installer ses panneaux hydroélectriques à Bahia Hondita, un village colombien confronté à une grave pénurie d'eau potable. Il a choisi le site d'installation en appelant un ami de Conservation International et en lui demandant quel endroit avait le plus besoin d'aide.

Gary Dirks, directeur principal du Global Futures Lab de l'ASU, n'est pas surpris de la façon dont son collègue dépense son prix, étant donné que Friesen a également mis en place des bourses pour soutenir les jeunes entrepreneurs de l'université. Les deux se sont rencontrés lorsque Friesen testait la version bêta du panneau hydroélectrique et Dirks a accepté d'orienter l'argent de la subvention vers le projet. C'est un entrepreneur en série astucieux et un inventeur en série. C'est ce qu'il aime faire, et il aime entreprendre de très grandes choses, dit Dirks, qui décrit Friesen comme un homme en mission.

Le résultat final [de la recherche] ne devrait pas être une publication, dit Friesen. Le milieu universitaire concerne la création de nouvelles connaissances et sur la traduction de ces connaissances - son parcours hors du laboratoire et dans des applications pratiques qui peuvent améliorer la vie des gens.

Ce n'est pas le vendeur poli et bien rodé qui parle, dit Dirks : Il est motivé par les grands problèmes du monde.

cacher