Mer Vatten
Vattenkrisen i världen kan beskrivas med ett enkelt faktum: vi använder snart mer vatten än vad som finns tillgängligt på jorden.
Redan idag är vattenbrist ett stort problem på många platser. Och det kan bli mycket värre i takt med att den globala uppvärmningen fortsätter.
Det finns många sätt att komma tillrätta med vattenkrisen. Lösningarna går från enkla sätt att fånga regnvatten till de allra nyaste nanotekniska materialen.
Vi bor på den blå planeten.
Två tredjedelar av jordytan täcks av vatten. Men det mesta av vattnet är för salt för att vi ska kunna använda det. Bara 3,5 procent av jordens vatten är sött, och det mesta ligger dessutom fruset i polartrakterna.
Inte mer än en hundradels procent av allt vatten är tillgängligt för människan i form av sjöar, floder och underjordiskt grundvatten; det motsvarar en enda droppe i en full hink.
År 2050 bor nio miljarder människor på jorden. Då måste vi vara bättre på att både hushålla med och producera dricksvatten för att inte gå mot en katastrofal vattenbrist.
Flera av de möjliga lösningarna på vattenkrisen utnyttjar tekniskt enkla principer.
De kan bestå i att återanvända spillvatten i industrin, att bevattna grödor med avloppsvatten eller att skapa effektiva system som fångar upp regnvatten.
Det handlar alltså om hushållning och effektivisering som redan existerar på många platser. Men det finns också ett antal metoder för att få in mer vatten i kretsloppet. Metoder som blir allt mer tekniskt avancerade.
Avsaltning
Att avsalta havsvatten är i princip enkelt. Men det kräver energi för att fungera i stor skala, och energi kostar pengar.
De största avsaltningsanläggningarna i världen finns i dag i de rika men torra oljestaterna i Mellanöstern. Där är behovet av vatten stort och energipriset är inget problem.
Världens största avsaltningsmaskin finns i Förenade Arabemiraten. Där produceras 300 miljoner kubikmeter dricksvatten per år genom destillering av saltvatten vid extremt lågt tryck – och därmed också låg kokpunkt.
Den här tekniken, som kallas flash-destillering, var länge den allra vanligaste. Men modernare avsaltningsanläggningar använder i stället en energisnålare metod som kallas omvänd osmos. I naturen är osmos är en spontan process där vatten eller salter vandrar genom ett membran, till exempel en cellvägg, för att jämna ut skillnader i kemisk koncentration.
Här gör man tvärtom, och tvingar saltvattnet genom ett membran under högt tryck för att öka skillnaden i koncentration.
Saltet och alla andra oönskade ingredienser ska stanna på ena sidan om membranet, på den andra får man rent vatten. Membranet fungerar ungefär som ett kaffefilter Men här räcker det inte med tyngdkraften för att få igenom vattnet. Det kräver en hel del energi.
Nordamerikas största avsaltningskomplex ligger i Tampa Bay i Florida. Det är närmaste granne med ett kraftverk som förser avsaltningen med ström, och saltvattnet som blir över används i sin tur till kylvatten i kraftverket. Anläggningen pumpar varje dag ut närmare 100 miljoner liter dricksvatten.
Numera produceras hälften av världens avsaltade vatten genom omvänd osmos.
Men priset är fortfarande högt och det är energiförbrukningen som kostar pengar.
För tjugo år sedan krävdes det mellan fem och tio kWh för att få fram en kubikmeter avsaltat vatten.
Moderna anläggningar förbrukar drygt två kWh med membranmetoden. Rekordet har en pilotanläggning i Kalifornien som klarat av att komma ner till 1,6 kilowattimmar per avsaltad kubikmeter. Priset per liter blir i genomsnitt 3,5 gånger högre än när man använder vattenresurserna i sjöar och grundvattenreservoarer.
Avsaltning är en snabbt växande bransch med stor potential, men fortfarande står den bara för bråkdelar av procent av världens vattenbehov.
Produktionen av avsaltat vatten beräknas bli minst dubbelt så stor under de närmaste tio åren. Mer än 75 anläggningar projekteras just nu världen runt och många nya tekniker testas för att lösa vattenbristen. Både i Australien och i Kalifornien planeras jätteanläggningar som ska drivas med sol- eller vindenergi. Miljövänligt, men fortfarande för dyrt för många fattiga länder.
Och om avsaltning ska bli ett verkligt vapen i kampen mot vattenkrisen så krävs det nya metoder. Metoder med hög kapacitet som inte sliter på miljön och som inte kostar för mycket.
Avsaltning leder till man får en massa salt som restprodukt, i form av tonvis med extremt salt vatten. Sådana mängder med koncentrerad saltlake går det inte att bara vräka tillbaka i havet utan att skada djur och växter. Resterna måste tas om hand, och det kostar pengar.
En tänkbar lösning på det problemet är att placera avsaltningen ombord på stora tankfartyg. Det är en metod som vi skrev om i Allt om Vetenskap nr 12 – 2008. Då löser man problemet med det extremt salta vatten som blir över efter processen. Det kan helt enkelt spädas ut av havsvatten innan det släpps i havet på stora djup. Avsaltningen ombord på fartygen kan drivas med en kombination av vindkraft, solenergi och vågornas rörelser.
Geotermisk avsaltning
På platser med seismisk aktivitet går det att utnyttja den underjordiska värmen för avsaltning. Antingen kan man ta hett vatten för att driva en vanlig destillationsanläggning, som man planerar att göra utanför Adelaide i Australien.
Men det finns också metoder som fungerar vid de lite lägre temperaturer som det geotermiska vattnet ofta får när det pumpas upp ur djupa borrhål. Specialbyggda slutna högtryckssystem som kan förånga vatten vid temperaturer vid 60-70 grader kan bli helt självförsörjande avsaltningsanläggningar. En sådan testas till exempel på den grekiska ön Milos.
Singapore är ett av många länder som kämpar med starkt begränsade vattentillgångar.
Där har tyska Siemens startat ett projekt där man ska avsalta vatten genom att avlägsna saltets laddade beståndsdelar, jonerna, med hjälp av elektricitet i stället för med högt tryck.
Det är en metod som påminner om den dialys som njursjuka använder för att rena sitt blod.
I demonstrationsförsök blir priset hälften av vad man normalt klarar med traditionell teknik.
En annan variant är att utnyttja det som kallas det osmotiska trycket. I omvänd osmos krävs ett starkt yttre tryck för att separera salt från rent vatten. I ”rättvänd” osmos härmar man naturen genom att låta vattnet vandra genom ett filter med hjälp av det tryck som uppstår spontant.
För att åstadkomma det krävs en lösning som ”lockar till sig” det rena vattnet. Den lösningen består av koncentrerad ammoniak och koldioxid.
Fördelen med den här metoden, som ännu bara finns på experimentstadiet, är att den kräver mindre energi, och skapar mindre mängder koncentrerade saltrester.
Nya filter
Redan under 90-talet började man experimentera med så kallade kolnanorör på många laboratorier.
De består av ett enda lager av kolatomer, placerade i ett sexkantsmönster, hoprullat till ett rör. Kolnanoröret kan ha en diameter som är mindre än en nanometer. Det är lika med en miljarddels meter, eller så där en hundratusendel av ett hårstrå.
Röret får speciella egenskaper eftersom det samverkar med sin omgivning på atomnivå. Det betyder att det kan visa upp förmågor som vi inte känner igen från vår vardagserfarenhet.
Ett kolnanorör som doppas i vatten, till exempel, sätter igång en snabb reaktion bland vattenmolekylerna.
De elektriska laddningarna i kolatomerna på rörets yta tycks frigöra vattenmolekylerna från de vätebindningar som håller dem samman till en vätska.
Istället formar de en smal tråd av vatten som snabbt forsar igenom nanoröret. Samtidigt stannar saltjonerna kvar utanför, eftersom de omger sig med en hårt bunden krans av vattenmolekyler, och alltså inte får plats i röret.
I princip är det samma sak som händer vid omvänd osmos, som är den helt dominerande metoden för avsaltning idag. Men här går det mycket fortare, och det krävs inte lika mycket energi för att tvinga vattnet genom filtret.
Det här visade amerikanen Gerhard Hummer genom datorsimulering redan 2001. Fem år senare kunde Olgica Bakajin vid Livermorelaboratoriet i Kalifornien bygga ett verkligt filter med nanorör och testa metoden.
Hon och hennes kolleger har mätt upp strömningshastigheter genom nanofiltret som är mer än hundra gånger högre än i dagens kommersiella anläggningar. Men fortfarande är rören för grova. Bakajins nanorör har en diameter som är något större än en nanometer, och kan ge plats åt sex vattenmolekyler på bredden. Det betyder att många större partiklar också följer med strömmen.
Men förra året rapporterade den australiensiske kemisten Ben Corry att hans grupp lyckats skapa filter med rör som är lite mindre än en nanometer grova, och som kan rena vatten till 95 procent, vilket är helt tillräckligt för dricksvatten. Flödet genom filtret var 1 500 gånger högre än i dagens kommersiella membran.
Men det finns de som hoppas på ännu effektivare mikroskopiska rör för att rena vatten. I alla växt- och djurceller finns kanaler för vatten som kallas akvaporiner. De låter vattnet flöda ut eller in genom cellväggen, praktiskt taget utan motstånd. De sorterar också noggrant alla partiklar, och släpper inte igenom några oönskade ämnen. En enda akvaporin kan släppa igenom en miljard vattenmolekyler per sekund. De här högeffektiva kanalerna består av komplicerade proteinmolekyler, som kan öppnas och stängas på kommando med hjälp av kemiska signaler. En syntetisk kanal som fungerar på det här sättet skulle kunna bli en revolution i renings- och avsaltningsteknik. Ett danskt företag arbetar på att bygga filter av akvaporiner från växtceller, som de tänker lansera på marknaden under 2009.
Men avsaltning av havsvatten behöver trots allt inte vara så komplicerad.
Om man bara kan få vatten att förångas och sedan kondensera igen, så blir man av med saltet. Kan man dessutom utnyttja solen som energikälla så går det att göra billiga och storskaliga system, som inte tär på miljön, utan istället faktiskt förbättrar den.
Det är tanken bakom Sahara Forest-projektet som är en idé från en brittisk arkitektgrupp. Projektet ska producera ett överskott av vatten samtidigt som det får öknen att blomma.
Det är ett projekt som angriper vattenkrisen där den är som mest akut; inom jordbruket.
Ett system av speglar ska koncentrera solljus till en temperatur som är tillräckligt hög för att koka havsvatten. Ångan från vattnet kan driva en enkel generator för elektricitet, och leds sedan in i stora växthus. Fukten från ångan sänker temperaturen i växthusen med cirka 15 grader jämfört med utsidan, och det gör att man kan odla de flesta slag av grönsaker därinne.
I växthusens bortre ände kondenseras vattenångan till rent vatten, som sedan kan användas för att bevattna växterna och till den viktiga uppgiften att göra rent solspeglarna. Dessutom blir det vatten över som kan användas till att bevattna området runt omkring anläggningen, så att det förvandlas till en oas, där det går att odla värmetåliga växter, till exempel till biobränsle.
Systemet kan reglera sig självt med hjälp av datorer som drivs av den solgenererade elektriciteten.
Det finns redan en fungerande demonstrationsanläggning, och intresse finns från flera länder i Mellanöstern för att bygga egna storskaliga modeller, framför allt i kustnära ökenområden. Det här är ett sätt att undvika en framtida kollaps i många vattenstressade trakter.
I Andalusien i södra Spanien, till exempel, odlas idag sallad i växthus på
Det mesta av vattnet på jorden finns i haven. Men mer än vad kanske de flesta anar finns i luften vi andas. Ju varmare luft, desto mer vatten kan den hålla. Riktigt fuktig luft kan innehålla ett par deciliter vatten per kubikmeter.
Det finns flera sätt att ta vara på det här vattnet, och nya metoder utvecklas hela tiden. Den vanligaste modellen är i princip samma maskin som de avfuktare som många villaägare har i sina källare.
En eldriven kompressor skapar kyla, som får fukten att kondensera till vatten. Lägger man till ett filter så kan man rena vattnet till utmärkt dricksvatten.
Större anläggningar kan med traditionell kompressorteknik producera runt
En alternativ metod är att använda ett kemiskt torkmedel, ett så kallat hygroskopiskt ämne som kan binda vattenmolekyler, för att dra vatten ur luften. Det spar energi. Ett projekt vid Tekniska Högskolan i Luleå i samarbete med Stanforduniversitetet visade förra året upp en modell som kan drivas med solceller, och som är anpassat till områden i tredje världen där man saknar både vatten och billig energi. Modellen kräver värme för att ta tillvara det infångade vattnet ur det vattenabsorberande ämnet, men den fungerar bättre än de varianter som finns på marknaden vid låga temperaturer och låg luftfuktighet.
Kapaciteten beror naturligtvis på storleken på maskinen, men den prototyp av bordsmodell som finns klarar ett par liter i timmen. Men räkna med att det här är ett område där det kan hända mycket i framtiden.
Den amerikanska försvarsmakten forskar intensivt på hur man kan utvinna vatten ur ökenluft, eftersom de för krig i några av jordens torraste regioner. De har till och med byggt system som ska utvinna vatten ur avgaserna från arméns bilar i Irak.
Samtidigt arbetar Nasa med att hitta apparater som kan skapa vatten ur Mars atmosfär, till glädje för eventuella framtida besökare. Kanalerna må vara torra, men atmosfären på Mars innehåller två tusendels gram vatten per kubikmeter. En plan går ut på att använda det hygroskopiska mineralet zeolit för att suga upp vattnet, som sedan värms upp med mikrovågor. Ångan förvandlas därefter till is för framtida bruk.
Det mesta går åt till maten
Vi använder ungefär
Till ett kilo potatis krävs
För att odla fram ett halvt kilo ris går det åt
Ett halvt kilo kaffe slukar hela
Men köttet är kanske värstingen i shoppingvagnen. Det går åt
Några fakta:
- 66 procent av allt vatten i världen används för bevattning av grödor. Det betyder att vattenbrist leder till minskade skördar, och i sin tur till högre matpriser.
- Grundvattennivåerna sjunker kraftigt i många länder, till exempel i Mexico, Indien, Kina och Pakistan. I norra Indien sjunker grundvattnet med 60 till
- I norra Kina, där 40 procent av landets spannmål odlas, har vattennivåerna fallit med så mycket som
- Flera av länderna runt Persiska Viken har i praktiken gjort slut på sitt grundvatten. Qatar lever på avsaltat vatten till 99 procent. Kuwaits vatten är till 96 procent avsaltat havsvatten. Samtidigt har flera av de här länderna mycket hög konsumtion av vatten per person.