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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、最もシンプルな設計は完全に受動的で、外部エネルギー源を必要とせず、可動部品はほとんど、あるいは全くありません。
空気井戸には主に3つの設計が用いられ、それぞれ高質量型、放射型、能動型に分類される。
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材が組み込まれています。露は、大気中の水蒸気が基材に凝結するときに自然に発生する降水の一種です。霧とは異なり、霧は空気中の粒子の周りに凝結した水滴で構成されています。[ 4 ]凝結によって潜熱が放出され、水の収集を継続するにはその熱を放散する必要があります。[ 5 ]
空気井戸は空気中の水分を必要とします。地球上のあらゆる場所、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。BeysensとMilimouk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）の淡水が含まれており、その98パーセントは水蒸気、2パーセントは凝縮水（雲）で構成されています。これは、居住地の再生可能な液体の水資源（12,500 km 3）に匹敵する数値です。」[ 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んでいます。空気が露点まで冷却されると、飽和状態になり、水分は適切な表面に凝縮します。[ 6 ]例えば、20 °C（68 °F）で相対湿度が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 °F）まで低下します。 [ 4 ]
大気中の水分を得るための、関連するが全く異なる技術として、霧柵がある。
エアウェルは露池と混同してはいけません。露池は家畜に水を与えるために作られた人工の池です。露池（時には雲池や霧池とも呼ばれる）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た考えに由来しています。[ 7 ]実際には、露池は主に雨水で満たされています。[ 8 ]
石のマルチングは、乾燥地帯での作物の収穫量を大幅に増加させることができます。これは特に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、常時流れる川はありません。それにもかかわらず、火山岩のマルチング材を使用することで、かなりの量の作物を育てることができます。これは1730年の火山噴火後に発見された方法です。石のマルチング材が露を促進すると考える人もいますが、この考えは一部の思想家にインスピレーションを与えたものの、その効果はそれほど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、石のマルチング材の主な利点は、土壌からの水分損失を減らし、雑草との競合を排除することです。[ 9 ]
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、ロシアのエンジニアであるフリードリヒ・ジボルト（フリードリヒ・ジーボルト[ 10 ]と表記されることもある）、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ヴォルフ・クラファケ、ベルギーの発明家アキレ・クナペンなどが挙げられる。
1900年、古代ビザンチン都市テオドシアの遺跡の近くで、その地域の森林官兼技師であったジボルトが13個の大きな石の山を発見した。 [ 12 ]各石の山は900平方メートル強（9,700平方フィート）を覆い、高さは約10メートル（33フィート）であった。発見されたものは、直径75ミリメートル（3.0インチ）のテラコッタ製のパイプの残骸と関連しており、それらは明らかに市内の井戸や噴水につながっていた。ジボルトは、石の山はテオドシアに水を供給する凝縮器であると結論付け[ 13 ] 、各空気井戸が1日に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た。[ 14 ]
ジボルトは自身の仮説を検証するため、古代遺跡テオドシア近くのテペ・オバ山の標高288メートル（945フィート）地点に石積み凝縮器を建設した。ジボルトの凝縮器は、排水口のある椀型の集熱エリアを囲むように、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。彼は直径10～40センチメートル（3.9～15.7インチ）の海石を、上部の直径が8メートル（26フィート）の円錐台状に高さ6メートル（20フィート）まで積み上げた。石積みの形状により、石同士の熱接触を最小限に抑えつつ、良好な空気の流れが確保された。[ 3 ]
ジボルトの凝縮器は1912年に稼働を開始し、1日の最大生産量は後に360リットル（79英ガロン、95米ガロン）と推定されたが、ジボルトは当時その結果を公表しなかった。[ 10 ]基部に漏水が発生したため、実験は1915年に終了し、敷地は放棄される前に部分的に解体された。（この場所は1993年に再発見され、清掃された。）[ 3 ]ジボルトの凝縮器は、発見された古代の石積みとほぼ同じ大きさで、[ 3 ]収量はジボルトが元の構造物について計算した収量よりはるかに少なかったものの、この実験は後の開発者にインスピレーションを与えた。
ジボルトの研究に触発されたシャプタルは、 1929年にモンペリエ近郊に小さな空気井戸を建設した。シャプタルの凝縮器は、一辺3メートル（9.8フィート）の正方形で高さ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物で、直径約7.5センチメートル（3.0インチ）の石灰岩片8立方メートル（280立方フィート）が詰め込まれていた。ピラミッドの上下には小さな通気孔が設けられており、必要に応じてこれらの孔を開閉することで空気の流れを制御できた。構造物は夜間に冷却され、日中は暖かく湿った空気が取り込まれた。石灰岩片には露がつき、地表下の貯水槽に溜まった。得られる水の量は、大気の状態によって1日あたり1リットル（0.22インペリアルガロン、0.26米ガロン）から2.5リットル（0.55インペリアルガロン、0.66米ガロン）まで変動した。 [ 15 ]
チャプタルは自身の実験を成功とは考えていなかった。1946年に退職した際、彼はコンデンサーを故障させたが、おそらく不適切な設置が後に空気井戸の研究を続ける人々を誤解させることを望まなかったためであろう。[ 2 ]
ヴォルフ・クラプハケは、1920年代から1930年代にかけてベルリンで活躍した成功した化学者でした。その頃、彼はユーゴスラビアとアドリア海のヴィス島で様々なタイプの空気井戸をテストしました。クラプハケの研究は、ジボルト[ 16 ]と、約1000年前にアラビア語で著作を残し、パレスチナでの水凝縮器の使用について言及した著名なユダヤ人学者マイモニデスの著作[ 3 ]に影響を受けていました。
クラプハケは非常にシンプルな設計を試みた。山の斜面を整地し、防水性のある表面で滑らかにした。柱や稜線で支えられたシンプルな天蓋で日陰を作った。構造物の側面は閉じていたが、上端と下端は開いていた。夜間は山の斜面が冷え、日中は水分が滑らかな表面に溜まり、流れ落ちる。このシステムは明らかに機能したが、費用がかさんだため、クラプハケは最終的に石造りの構造に基づいたよりコンパクトな設計を採用した。この設計は砂糖の塊のような形をした建物で、高さは約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）あり、上部と下部に穴が開いていた。外壁は高い熱容量を得るためにコンクリートで作られ、内側の表面は砂岩などの多孔質材料で作られていた。[ 17 ]クラプハケによれば、
この建物は日中は水を生成し、夜間は冷却されます。太陽が昇ると、暖かい空気が上部の穴から建物内に流れ込む冷たい空気によって引き込まれ、冷たい表面で冷却され、水滴となって流れ落ち、下のどこかに集まります。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す。内部表面は予想以上に冷たくなります。ダルマチアでは、その日は水が生成されなかったまれな例外でした。[ 16 ]
クラファケのコンデンサーの痕跡が暫定的に特定されている。[ 18 ]
1935年、ヴォルフ・クラプハケとその妻マリアはオーストラリアに移住した。クラプハケ夫妻の移住の決断は、おそらくマリアがナチス当局と遭遇したことが主な原因であった。[ 19 ] [ 20 ]オーストラリア（例えばイギリスではなく）に定住することを決めたのは、ヴォルフが露凝縮器を開発したいという願望が影響していた。[ 20 ]乾燥大陸であるオーストラリアでは、淡水の代替源が必要になる可能性が高く、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。クラプハケは、飲料水の供給がない小さな町クックに凝縮器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動力源とする大型のアクティブ凝縮器を設置していたが、 [ 21 ]運用コストが非常に高く、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プハケの提案を却下し、彼はこのプロジェクトへの関心を失った。[ 22 ] [ 16 ]
以前、建物の除湿システムに取り組んでいたクナペン[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]は、今度はシャプタルの研究に触発され、フランスのトランス＝アン＝プロヴァンスにある高さ180メートル（590フィート）の丘の上に、野心的な規模の空中井戸（puits aerien）を建設し始めた[ 1 ] [ 26 ] 。 1930年に着工したクナペンの露塔は、建設に18ヶ月を要した。老朽化しているものの、現在も残っている。建設当時、この凝縮器は世間の注目を集めた[ 27 ] 。
塔は高さ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があり、空気を取り込むための開口部が多数あります。内部にはコンクリート製の巨大な柱があります。夜間は構造全体が冷却され、日中は暖かく湿った空気が上部の開口部から構造内に入り、冷却されて下降し、下部の開口部から建物から出ていきます。[ 28 ]クナペンの意図は、冷たい内側の柱に水が凝結することでした。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なほど低くなければならないというシャプタルの発見に従って、中央の柱の外面にはスレートの突き出た板がちりばめられていました。スレートは、構造物の下部にある集水槽に滴り落ちるように、ほぼ垂直に配置されました。[ 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 日あたり数リットルの水しか生成しませんでした。[ 29 ]
20世紀末までに、露が凝結するメカニズムははるかによく理解されるようになった。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効果的であるという点だった。多くの研究者がこの方法に取り組んだ。[ 30 ] 1960年代初頭、リッジテントに似た単純なフレームにポリエチレンシートで支えられた露凝縮器がイスラエルで植物の灌漑に使用された。これらの集熱器から露とごくわずかな降雨を与えられた苗木は、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った。対照群 はすべて夏の間枯れてしまった。[ 31 ] 1986年、ニューメキシコでは、特殊な箔で作られた凝縮器が若い苗木に十分な水を供給することができた。[ 4 ]
1992年、フランスの学者の一団がウクライナで開催された凝縮系物理学の会議に出席し、そこで物理学者のダニエル・ベイセンスから、古代テオドシアが露凝縮器から水を供給されていたという話を聞いた。彼らはその話に強い興味を抱き、1993年に自ら現地を訪れた。その結果、ジボルトが露凝縮器だと特定した塚は実際には古代の墳丘（古代テオドシアのネクロポリスの一部）であり、パイプは中世のもので、塚の建設とは無関係であると結論付けた。彼らはジボルトの凝縮器の残骸を発見し、それを整理して詳しく調べた。ジボルトの凝縮器はそれなりにうまく機能していたようだが、実際には彼の正確な結果は全く明らかではなく、集水器が霧を捕捉していた可能性があり、それが収量を大幅に増加させていた可能性もある。[ 10 ]ジボルトの凝縮器が何らかの形で機能したとすれば、それはおそらく塚の表面近くのいくつかの石が、地面から熱的に隔離されている間に夜間に熱を放出できたためであろう。しかし、ジボルトが想定していた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は実験室条件下での露の凝縮の研究を開始し、特殊な疎水性フィルムを開発し、コルシカ島にある30平方メートル（320平方フィート）の集熱器を含む試験設備で実験を行った。[ 34 ]重要な知見としては、凝縮面の質量は熱を保持しにくくするためにできるだけ低くするべきであり、不要な熱放射から断熱層で保護する必要があり、凝縮した水分を容易に排出するために疎水性であるべきであるという考えがあった。[ 35 ]
彼らが最初の実用化の準備が整った頃には、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で露凝縮器を建設するための助成金を得たという知らせが入った。2001年4月、シャランは、カッチの乾燥した沿岸地域にあるトーラン・ビーチ・リゾートに短期間滞在していた際、コテージの屋根にかなりの結露が発生していることに偶然気づいた。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を行った。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凝縮器の開発に着手した。[ 36 ]本格的な商業化は2006年に始まった。[ 37 ]
シャランはさまざまな材料をテストし、亜鉛メッキ鉄板とアルミニウム板で良好な結果を得ましたが、OPURが開発した厚さわずか400マイクロメートル（0.016インチ）の特殊プラスチックシートは、一般的に金属シートよりもさらに優れた性能を発揮し、コストも低いことがわかりました。[ 38 ] OPURフォ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、ポリエチレンに二酸化チタンと硫酸バリウムを混合して作られています。
空気井戸内の水分を集めるヒートシンクの設計には、主に高質量、放射、アクティブの3つの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、巨大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、低質量放射集光器の研究が盛んに行われ、これらははるかに成功を収めていることが証明されている。[ 40 ]
高質量空気井戸設計は、そよ風や自然対流によって構造物内に入り込む夜間の冷たい空気を利用して、大量の石造物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中の湿度が上昇します。湿った日中の空気が空気井戸に入ると、おそらく冷えているはずの石造物に結露します。しかし、高質量集熱器はどれも性能が良くなく、特にクナペンの空気井戸はその顕著な例でした。
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 。これは、夜間に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である。[ 3 ]ジボルトの主張が結局正しかったと考える思想家もいるが、[ 41 ] [ 42 ] Journal of Arid Environmentsの記事では、この種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。
ここで次の点を強調しておきたい。凝縮を得るには、石の凝縮器温度が露点温度よりも低くなければならない。霧がない場合、露点温度は常に気温よりも低い。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（空気中の水分量を示す指標）は大きく変化しない。したがって、最終的に凝縮器に気温を与える風は、凝縮器を冷却してその機能を確保することはできない。別の冷却現象 、すなわち放射冷却 が作用する必要がある。そのため、凝縮器が放射によって冷却される夜間に、空気から液体の水が抽出される。露点温度が石の山の中の石の温度を超えるほど大幅に上昇することは非常にまれである。まれにそのようなことが起こると、短期間に大量の露が発生することがある。これが、L. ChaptalとA. Knapenが大規模な露凝縮器を建設しようと試みたものの、大きな収穫を得られたことがほとんどなかった理由である。 [原文の強調] [ 2 ]
古代の空気井戸についてはいくつかの文献で言及されているが、その証拠はほとんどなく、その存在を信じる根強い信仰は現代の神話の性格を帯びている。[ 2 ]
放射式空気井戸は、熱を夜空に放射することで基材を冷却するように設計されています。基材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隔離されています。 [ 43 ]一般的な放射式集熱器は、水平面から30°の角度で凝縮面を備えています。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、地上から2～3メートル（7～10フィート）の高さで支持されています。このような集熱器は、低層建築物の棟屋根に簡単に設置したり、簡単なフレームで支持したりできます。[ 44 ]他の高さでは通常それほど効果的ではありませんが、集熱器を地上付近または2階建ての建物に設置する方が安価または便利である場合があります。[ 45 ]
左図に示す550平方メートル（5,900平方フィート）の放射凝縮器は、地面近くに設置されています。設置されているインド北西部の地域では、年間8か月間露が発生し、この設備は年間約100晩の露夜で、シーズン中に約15ミリメートル（0.59インチ）の露水を収集します。年間で、この施設を所有・運営する学校に合計約9,000リットル（2,000英ガロン、2,400米ガロン）の飲料水を提供します。 [ 46 ]
平面設計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設計の方がはるかに効果的である可能性がある。これはおそらく、これらの設計が凝縮面を下層大気から放射される不要な熱から遮蔽し、対称であるため風向に影響されないためであろう。[ 47 ]
新しい素材は、さらに優れた収集能力を持つ可能性がある。[ 48 ]そのような素材の1つは、大気から抽出した水分だけで生き延びるナミブ砂漠の甲虫にヒントを得たものである。その甲虫の背中は微細な突起で覆われており、突起部分は親水性で、溝部分は疎水性であることがわかっている。[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、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、この能力を模倣した。[ 52 ]
能動型大気水収集器は、機械式冷凍機の商業化以来使用されてきました。基本的に、必要なのは熱交換器を露点以下に冷却することだけで、水が生成されます。このような水の生成は、除湿の副産物として、場合によっては望ましくない形で発生する可能性があります。[ 3 ]例えば、ドバイのブルジュ・ハリファの空調システムは、タワーの景観植栽の灌漑に使用される年間推定1500万ガロン（57,000立方メートル）の水を生成しています。 [ 54 ]
機械式冷凍はエネルギー集約型であるため、アクティブコレクターは通常、より低コストで脱塩または浄化できる水の供給源がなく、輸送が非経済的になるほど淡水の供給源から十分に遠い場所に限定されます。このような状況はまれであり、その場合でも、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設備は、設備の運用コストのために失敗しました。つまり、水を長距離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ことがあります。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は数多くあります。しかし、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 に凝縮器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から放出される空気であり、燃焼生成物として追加の水を含んでいました。水分は収集され、燃料の消費による重量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 ]
さらに最近では、国際宇宙ステーションのズヴェズダモジュールには湿度制御システムが搭載されている。そこで集められた水は通常、水を水素と酸素に電気分解するエレクトロンシステムに供給されるが、緊急時には飲料水としても使用できる。[ 56 ]
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設計はいくつか存在する。
この記事は、シャラン (2006) の抜粋を含め、広く複製されている。