エアウェル（コンデンサー）

エアウェルまたは空中井戸は、空気中の水分の凝縮を促進することによって水を集める構造物または装置です。 ^[1]エアウェルの設計は多種多様ですが、最も単純な設計は完全に受動的であり、外部エネルギー源を必要とせず、可動部品がほとんどありません。

空気井戸には、高質量、放射、およびアクティブと呼ばれる 3 つの主要な設計が使用されます。

高質量空気井戸：20世紀初頭に使用されたが、このアプローチは失敗した。^[2]
低質量の放射コレクター：20世紀後半以降に開発され、はるかに成功したことが証明されました。^[2]
アクティブコレクター：除湿器と同じ方法で水を集めます。設計はうまく機能しますが、エネルギー源を必要とするため、特別な状況を除いて経済的ではありません。新しい革新的な設計では、アクティブコンデンサーのエネルギー要件を最小限に抑えるか、持続可能で再生可能なエネルギー資源を利用することを目指しています。^[3]

背景

すべてのエアウェル設計には、露が形成されるのに十分低い温度の基質が組み込まれています。露は、大気中の水蒸気が基質に凝縮したときに自然に発生する降水の一種です。霧は空気中の粒子の周囲に凝縮した水滴でできている点で、霧とは異なります。^{[4]結露により}潜熱が放出され、集水を継続するにはこの潜熱を放散する必要があります。^[5]

空気井戸には空気中の水分が必要です。地球上のどこでも、砂漠でさえ、周囲の大気には少なくともいくらかの水が含まれています。ベイセンスとミリモックによると、「大気には12,900立方キロメートル（3,100立方マイル）の真水が含まれており、98パーセントの水蒸気と2パーセントの凝結水（雲）で構成されています。これは、人が住む土地の再生可能な液体水資源（12,500 km ³）に匹敵する数字です。」^[4]空気中に含まれる水蒸気の量は、一般的に相対湿度として報告されます。これは温度に依存し、暖かい空気は冷たい空気よりも多くの水蒸気を含みます。空気が露点まで冷却されると、飽和状態になり、水分が適切な表面に凝結します。^[6]たとえば、20°C（68°F）で相対湿度80パーセントの空気の露点温度は16°C（61°F）です。相対湿度が50パーセントの場合、露点温度は9℃（48℉）まで下がります。^[4]

大気中の水分を取得する関連した、しかし全く異なる技術が霧フェンスです。

エアウェルを露池と混同しないでください。露池は家畜に水を飲ませるための人工池です。露池（雲池やミスト池と呼ばれることもあります）という名前は、池が空気中の水分で満たされているという広く信じられている考えに由来しています。^[7]実際、露池は主に雨水で満たされています。^[8]

石のマルチは乾燥地帯の作物の収穫量を大幅に増やすことができます。これはカナリア諸島で顕著です。ランサローテ島では年間降水量が約 140 ミリメートル (5.5 インチ) で、恒久的な川はありません。それにもかかわらず、火山石のマルチを使用することでかなりの量の作物を栽培できます。これは 1730 年の火山噴火後に発見された方法です。石のマルチは露を促進すると考える人もいますが、このアイデアは一部の思想家にインスピレーションを与えましたが、その効果は大きくないようです。むしろ、植物は葉から直接露を吸収することができ、石のマルチの主な利点は土壌からの水分損失を減らし、雑草との競争を排除することです。^[9]

歴史

20世紀初頭から、多くの発明家が高質量集熱器の実験を行った。著名な研究者としては、ロシアの技術者フリードリヒ・ツィボルト（フリードリヒ・シーボルトとも呼ばれる^[10]）、フランスの生物気候学者レオン・シャプタル、ドイツ系オーストラリア人の研究者ウルフ・クラファケ、ベルギーの発明家アキル・クナペン [fr]などがいた。

ジボルドのコレクター

1900年、古代ビザンチン都市テオドシアの遺跡の近くで、この地域を担当していた森林官兼技術者のジボルドによって13の大きな石積みが発見されました。 ^[12]各石積みは900平方メートル（9,700平方フィート）強の広さで、高さは約10メートル（33フィート）でした。発見物は、市内の井戸や噴水に通じていたと思われる直径75ミリメートル（3.0インチ）のテラコッタパイプの残骸と関連していました。ジボルドは、石積みはテオドシアに水を供給していた凝縮器であると結論付け、 ^[13]各空気井戸は毎日55,400リットル（12,200英ガロン、14,600米ガロン）以上の水を生産していたと計算しました。^[14]

ジボルドは仮説を検証するため、古代遺跡テオドシアの近くのテペ・オバ山の標高288メートル（945フィート）に石積み凝縮器を建設した。ジボルドの凝縮器は、排水口のあるボウル型の集水域の周囲を高さ1メートル（3フィート3インチ）、幅20メートル（66フィート）の壁で囲まれていた。直径10～40センチメートル（3.9～15.7インチ）の海石を、上部の直径8メートル（26フィート）の円錐台に高さ6メートル（20フィート）積み上げた。石積みの形状により、石同士の熱接触が最小限で、空気の流れが良好になった。^[3]

ジボルドの凝縮器は1912年に稼働を開始し、1日の最大生産量は360リットル（79英ガロン、95米ガロン）と後に推定されたが、ジボルドは当時結果を公に記録していなかった。^[10]基地で漏れが発生したため、1915年に実験は中止を余儀なくされ、その場所は部分的に解体されて放棄された。（その場所は1993年に再発見され、清掃された。）^[3]ジボルドの凝縮器は発見された古代の石積みとほぼ同じ大きさで、^[3]生産量はジボルドが元の構造物に対して計算した生産量よりはるかに少なかったが、この実験は後の開発者たちにインスピレーションを与えた。

チャプタルのコレクター

ジボルドの研究に触発され、チャプタルは1929年にモンペリエの近くに小さな空気井戸を建設しました。チャプタルの凝縮器は、3メートル（9.8フィート）四方、高さ2.5メートル（8フィート2インチ）のピラミッド型のコンクリート構造で、直径約7.5センチメートル（3.0インチ）の石灰岩の破片8立方メートル（280立方フィート）で満たされていました。小さな通気孔がピラミッドの上部と下部を取り囲んでいました。これらの穴は、空気の流れを制御するために必要に応じて閉じたり開いたりすることができました。構造物は夜間に冷却され、日中に暖かく湿った空気が取り込まれました。石灰岩の破片に露が形成され、地面下の貯水槽に集められました。得られる水の量は、大気の状態に応じて1日あたり1リットル（0.22英ガロン、0.26米ガロン）から2.5リットル（0.55英ガロン、0.66米ガロン）まで変化しました。^[15]

シャプタルは実験が成功だとは考えていなかった。1946年に引退した際、おそらくは後に空気井戸の研究を続けるかもしれない人々を誤解させるような不適切な設備を残したくなかったため、凝縮器を故障させた。^[2]

クラパケのコレクター

ヴォルフ・クラファケは1920年代から1930年代にかけてベルリンで活躍した化学者で、当時ユーゴスラビアやアドリア海のヴィス島で数種類の空気井戸をテストした。クラファケの研究はジボルト^[16]や、約1000年前にアラビア語で著作を残し、パレスチナで水冷装置が使われていたと言及したユダヤ人学者マイモニデス^[3]の著作に触発されたものである。

クラファケは非常に単純な設計を試みた。山の斜面の一帯を開墾し、防水表面で滑らかにする。柱や尾根で支えられた単純な天蓋で日陰を作る。構造物の側面は閉じられているが、上端と下端は開いたままにしておく。夜は山の斜面が冷え、日中は水分が集まり、滑らかな表面に流れ落ちる。このシステムは明らかに機能していたが、費用がかかったため、クラファケは最終的に石積み構造に基づくよりコンパクトな設計を採用した。この設計は、高さ約15メートル（49フィート）、壁の厚さは少なくとも2メートル（6フィート7インチ）で、上部と下部に穴が開いているシュガーローフ型の建物だった。外壁は高い熱容量を持たせるためにコンクリートで作られ、内面は砂岩などの多孔質材料で作られていた。^[17]クラファケによると：

この建物は日中に水を作り出し、夜間には冷却する。太陽が昇ると、暖かい空気は上部の穴から流れ出る冷たい空気によって建物内に引き込まれ、冷たい表面で冷やされて水を蓄え、それが下に染み出して下のどこかに集まる。このプロセスは露のある日にのみ機能すると考えるのは間違いである。なぜなら、内部の表面は予想よりもずっと冷たくなるからである。ダルマチアでは、その日は水が作られなかったまれな例外であった。^[16]

クラファケの凝縮器の痕跡が暫定的に特定されている。^[18]

1935年、ウルフ・クラファケと妻のマリアはオーストラリアに移住した。クラファケ夫妻が移住を決意したのは、マリアがナチス当局と遭遇したことが主な原因だったと思われる。^[19]^[20]彼らがオーストラリアに定住することを決めたのは（たとえばイギリスではなく）、ウルフが結露防止装置を開発したいという願望が影響していた。 ^[20]乾燥した大陸であるオーストラリアは、淡水の代替源を必要とする可能性が高く、ロンドンで会った南オーストラリア州首相が関心を示していた。クラファケは、飲料水の供給がないクックという小さな町に結露防止装置を設置するという具体的な提案をした。クックでは、鉄道会社が以前に石炭を燃料とする大型のアクティブ結露防止装置を設置していたが^[21]、運転コストが高すぎたため、水を輸送する方が安上がりだった。しかし、オーストラリア政府はクラファケの提案を却下し、彼はプロジェクトへの関心を失った。^[22]^[16]

クナペンの空中井戸

アキレ・クナペンは調子が良い。

以前に建物から湿気を除去するシステムに取り組んでいたクナペンは^[23]^[24]^[25]、今度はシャプタルの研究に触発され、フランスのトラン＝アン＝プロヴァンスにある標高180メートル（590フィート）の丘の上に野心的な規模のpuits aerien （空中井戸）を建設し始めた。 ^[1]^[26] 1930年に始まり、クナペンの露塔は18か月かけて建設され、今日でも老朽化しているもののまだ残っている。建設当時、凝縮器は世間の関心を集めた。^[27]

塔の高さは14メートル（46フィート）で、厚さ約3メートル（9.8フィート）の巨大な石積みの壁には、空気を取り込むための開口部が多数ある。内部にはコンクリート製の巨大な柱がある。夜間には建物全体が冷却され、日中は暖かく湿った空気が高い開口部から建物内に入り、冷えて下降し、低い開口部から建物から出る。^[28]クナペンの意図は、冷たい内側の柱の上で水が凝結することだった。凝結面は粗く、表面張力は凝結した水が滴り落ちるのに十分低くなければならないというチャプタルの研究結果に沿って、中央の柱の外側には突き出たスレート板がちりばめられた。スレートはほぼ垂直に配置され、建物の底にある集水盆に滴り落ちるようにした。^[3]残念ながら、空中井戸は期待されたような性能を発揮することはなく、1日に数リットルの水しか生産しなかった。^[29]

国際露利用機構

20 世紀末までに、結露のメカニズムはよりよく理解されるようになりました。重要な洞察は、放射によって急速に熱を失う低質量の集熱器が最もよく機能するというものでした。多くの研究者がこの方法に取り組みました。^[30] 1960 年代初頭、イスラエルでは、尾根テントに似た単純なフレームに支えられたポリエチレンのシートで作られた結露凝縮器が植物の灌漑に使用されました。これらの集熱器から露とわずかな降雨を供給された苗木は、そのような補助なしで植えられた対照群よりもはるかによく生き残りました。夏の間にすべて乾いてしまいました。^{[31] 1986 年、}ニューメキシコでは、特殊なホイルで作られた凝縮器が、若い苗木に供給するのに十分な水を生産しました。^[4]

1992 年、フランスの学者の一行がウクライナで行われた凝縮物質に関する会議に出席し、物理学者のダニエル・ベイセンスが古代テオドシアに結露凝縮器から水が供給されていたという話を紹介した。彼らは非常に興味をそそられ、1993 年に自らの目で確かめに行った。彼らは、ジボルドが結露凝縮器であると特定した塚は実際には古代の墳墓(古代テオドシアの墓地の一部) であり、パイプは中世のもので塚の建設とは関係がないという結論に達した。彼らはジボルドの凝縮器の残骸を発見し、それを片付けて詳しく調べた。ジボルドの凝縮器は明らかにかなりうまく機能していたが、実際のところ正確な結果はまったく明らかではなく、コレクターが霧を捕捉して収量を大幅に増やしていた可能性がある。^[10]ジボルドの凝縮器が機能していたとすれば、それはおそらく、丘の表面近くにあるいくつかの石が地面から熱的に隔離されているため夜間に熱を失うことができたという事実によるものであろう。しかし、ジボルドが想定したような収量を生み出すことは決してできなかっただろう。^[2]^[32]

熱意に燃えた一行はフランスに戻り、露を代替水源として利用できるようにすることを具体的な目的として、国際露利用機構（OPUR）を設立した。 ^[33]

OPURは実験室環境での結露の研究を開始し、特殊な疎水性フィルムを開発し、コルシカ島に30平方メートル（320平方フィート）の集熱器を設置するなど試験設備で実験を行った。^[34]重要な洞察には、結露面の質量を可能な限り小さくして熱を保持できないようにすること、断熱層で不要な熱放射から保護すること、結露した水分を容易に逃がすために疎水性であることなどが含まれていた。^[35]

最初の実用化の準備が整う頃には、メンバーの一人であるギルジャ・シャランがインドのコタラに結露防止装置を建設するための助成金を獲得したという知らせが届いた。2001年4月、シャランは短期間滞在していたカッチの乾燥した沿岸地域にあるトラン・ビーチ・リゾートのコテージの屋根にかなりの結露があることを偶然に発見した。翌年、彼はその現象をより詳しく調査し、地元の人々にインタビューした。グジャラート州エネルギー開発庁と世界銀行の資金援助を受けて、シャランと彼のチームはカッチの乾燥した沿岸地域で使用するための受動放射コンデンサーの開発に着手した。^[36] 2006年には積極的な商業化が始まった。^[37]

シャランは幅広い材料をテストし、亜鉛メッキされた鉄板とアルミニウム板で良い結果を得たが、OPURが開発した厚さ400マイクロメートル（0.016インチ）の特殊プラスチック板は、一般的に金属板よりもさらに優れた性能を発揮し、安価であることを発見した。^[38] OPURホイルとして知られるこのプラスチックフィルムは親水性で、二酸化チタンと硫酸バリウムを混合したポリエチレンから作られている。

種類

空気井戸内の水分を集めるヒートシンクの設計には、高質量、放射、能動の3つの主要なアプローチがあります。20世紀初頭には高質量空気井戸への関心がありましたが、大規模な構造物の建設を含む多くの実験にもかかわらず、このアプローチは失敗に終わりました。^[39]

20世紀後半以降、低質量の放射コレクターに関する研究が盛んに行われ、これらははるかに成功していることが証明されました。^[40]

高質量

高質量空気井戸の設計は、風や自然対流によって夜間の冷たい空気が建物内に入ることで、大きな石積みの塊を冷却しようとするものです。日中は、太陽の暖かさによって大気の湿度が上昇します。湿った昼間の空気が空気井戸に入ると、冷たいはずの石積みの上で凝縮します。高質量コレクターはどれもうまく機能しませんでしたが、クナペンの空中空気井戸は特に顕著な例です。

高質量集熱器の問題点は、夜間に十分な熱を放出できないことだった。設計上、十分な熱を放出できるように設計されていたにもかかわらずだ。^[3]ジボルドは結局正しかったかもしれないと考える思想家もいるが、^[41]^[42]乾燥環境ジャーナルの記事では、このタイプの高質量凝縮器設計では有用な量の水が得られない理由について論じている。

次の点を強調したいと思います。結露を得るには、石の凝縮器温度が露点温度より低くなければなりません。霧がない場合、露点温度は常に気温より低くなります。気象データによると、天候が安定しているときは露点温度 (空気の水分含有量の指標) はそれほど変化しません。したがって、最終的に凝縮器に空気温度を与える風は、凝縮器を冷却してその機能を確保することができません。別の冷却現象である放射冷却が作用する必要があります。したがって、放射によって凝縮器が冷却される夜間に、空気から液体の水を抽出できます。露点温度が大幅に上昇して石の山内の石の温度を超えることは非常にまれです。時折、これが起こると、短期間に露が大量に発生することがあります。これが、L. チャプタルと A. クナペンがその後大規模な結露凝縮器を作ろうとした試みが、まれにしか大きな成果をあげなかった理由です。 [強調は原文のまま] ^[2]

いくつかの資料には古代の空気井戸について言及されているが、その証拠はほとんどなく、その存在に対する根強い信仰は現代の神話のような性格を持っている。^[2]

放射性

放射空気井戸は、熱を夜空に放射することで基質を冷却するように設計されています。基質は質量が小さいため熱を保持できず、地面を含むあらゆる質量から熱的に分離されています。 ^[43]一般的な放射コレクターは、水平面から30°の角度で凝縮面を呈しています。凝縮面は、ポリスチレンフォームなどの厚い断熱材の層で裏打ちされ、地面から2〜3メートル（7〜10フィート）上に支えられています。このようなコンデンサーは、低層ビルの棟屋根に便利に設置したり、単純なフレームで支えたりすることができます。^[44]他の高さでは通常それほどうまく機能しませんが、コレクターを地面近くまたは2階建ての建物に設置すると、コストが安くなったり便利になったりする場合があります。^[45]

左の写真にある550平方メートル（5,900平方フィート）の放射コンデンサーは、地面近くに設置されています。このコンデンサーが設置されている北西インド地域では、1年のうち8か月間露が発生し、この設備は、1シーズンで約100の露夜があり、約15ミリメートル（0.59インチ）の露水を集めます。この設備は、敷地を所有し運営している学校に、年間で約9,000リットル（2,000英ガロン、2,400米ガロン）の飲料水を供給しています。 ^[46]

平らなデザインはシンプルさという利点があるが、逆ピラミッドや円錐などの他のデザインの方がはるかに効果的である。これはおそらく、これらのデザインが下層大気から放射される不要な熱から凝縮面を保護し、対称的であるため風向の影響を受けないためである。^[47]

新しい素材は、さらに優れたコレクターになるかもしれません。^[48]そのような素材の1つは、大気から抽出した水分のみで生きるナミブ砂漠の甲虫にヒントを得たものです。背中は微細な突起で覆われていることがわかっており、突起の頂点は親水性で、谷底は疎水性です。 ^[49]^[50]^[51]マサチューセッツ工科大学の研究者は、疎水性と親水性の素材を交互に組み合わせたテクスチャ表面を作成することで、この機能を模倣しました。^[52]

アクティブ

能動型大気水コレクターは、機械冷凍の商業化以来使用されている。基本的に、熱交換器を露点以下に冷却するだけで、水が生成される。このような水の生成は、除湿の副産物として、おそらくは望ましくない形で発生する。^{[3]たとえば、}ドバイのブルジュ・ハリファの空調システムは、毎年推定1500万ガロン（57,000 m ³）の水を生成し、タワーの景観植栽の灌漑に使用されている。^[54]

機械冷却はエネルギーを大量に消費するため、能動型集水器は、通常、低コストで脱塩または浄化できる水の供給がなく、輸送が経済的でないほど淡水供給源から遠い場所に限定されます。このような状況はまれであり、1930年代に南オーストラリア州クックで試みられたような大規模な施設でさえ、施設の運営コストのために失敗しました。長距離を輸送する方が安かったのです。^[22]

小規模な設備の場合、利便性がコストを上回る場合があります。オフィスで使用するために設計された、大気から数リットルの飲料水を生成する小型機械が多数あります。ただし、大気以外に水源がまったくない状況もあります。たとえば、1930 年代にアメリカの設計者は飛行船に凝縮システムを追加しました。この場合、空気はエンジンの排気によって放出されたものであり、燃焼生成物として追加の水が含まれていました。水分は収集され、燃料の消費に伴う重量の減少を補うための追加のバラストとして使用されました。このようにバラストを収集することで、高価で供給が限られているヘリウムガスを放出することなく、飛行船の浮力を比較的一定に保つことができました。^[55]

最近では、国際宇宙ステーションのズヴェズダモジュールに湿度制御システムが搭載されています。収集された水は通常、水を電気分解して水素と酸素を生成するエレクトロンシステムに供給するために使用されますが、緊急時には飲料水としても使用できます。^[56]

アクティブコンデンサのエネルギー要件を最小限に抑える設計は数多くあります。

一つの方法は、地中パイプを通して空気を引き込むことで地面をヒートシンクとして使うことである。^{[57]これは、}地面に取り付けた熱交換器（アースチューブとも呼ばれる）によって建物に冷気を供給するためによく行われるが、この場合、結露が大きな問題となることが多い。^[58]このような設計の大きな問題は、地中パイプが汚染されやすく、清潔に保つのが難しいことである。このタイプの設計では、ファンによってパイプを通して空気を引き込む必要があるが、必要な電力は風力タービンによって供給（または補充）される場合がある。^[59]

海水温室では、温室のような構造物の内部を冷却し、加湿するために冷たい海水が使用されています。冷却は非常に効果的であるため、内部の植物は蒸散の減少による恩恵を受けるだけでなく、構造物の外側に露が集まり、簡単に溝で集めることができます。^[4]
別のタイプの大気水収集器は、常温で大気中の水を吸着する乾燥剤を使用しており、相対湿度が14パーセントと低い場合でも水分を抽出できます。 ^[60]この種のシステムは、安全な飲料水の緊急供給として非常に有用であることが証明されています。^[61]^[62]再生のためには、乾燥剤を加熱する必要があります。^[63]いくつかの設計では、再生エネルギーは太陽によって供給され、空気は夜間に水蒸気を吸着する乾燥剤の層の上に換気されます。日中は建物は閉め切られており、温室効果により温度が上昇し、太陽熱淡水化プールと同様に、水蒸気は部分的に脱着され、冷たい部分で凝縮して収集されます。^[4]ナノテクノロジーは、これらのタイプの収集器も改良しています。そのような吸着ベースの装置の一つは、露点が氷点下の非常に乾燥した気候（米国アリゾナ州テンピ）で金属有機構造体1kgあたり0.25Lの水を集めた。 ^[64]

フランスの企業は最近、30kWの発電機を使用して船上の機械式冷凍システムに電力を供給し、水を凝縮する小型風力タービンを設計した。 ^[65]

参照

参考文献

注記

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