EO

De klimaatverandering te lijf met nep-wolken

13 september 2021 om 10:26 uur

Nu we de enorme uitdaging van klimaatverandering het hoofd moeten bieden, moeten we inspiratie putten uit zelfs de meest onwaarschijnlijke bronnen. Neem bijvoorbeeld de tienduizenden op fossiele brandstoffen gestookte schepen die over de oceaan tuffen en pluimen van verontreinigende stoffen uitspuwen die bijdragen aan zure regen, aantasting van de ozonlaag, aandoeningen van de luchtwegen en het broeikaseffect.


De deeltjes die door deze scheepsemissies worden geproduceerd, kunnen ook helderdere wolken creëren, die op hun beurt een verkoelend effect kunnen hebben via processen die van nature in onze atmosfeer voorkomen. Wat als we dit verkoelende effect zouden kunnen bereiken zonder tegelijkertijd de broeikasgassen en giftige stoffen die schepen uitstoten vrij te geven? Dat is de vraag die het Marine Cloud Brightening (MCB) Project wil beantwoorden.

 

Wetenschappers weten al tientallen jaren dat de deeltjesemissies van schepen een dramatisch effect kunnen hebben op laaggelegen stratocumuluswolken boven de oceaan. Op satellietbeelden zijn delen van de oceanen van de aarde bezaaid met helderwitte wolkenstroken die overeenkomen met scheepvaartroutes. Deze kunstmatig lichtgekleurde wolken zijn het resultaat van de kleine deeltjes die door de schepen worden geproduceerd, en ze reflecteren meer zonlicht terug naar de ruimte dan onverstoorde wolken - en zeker veel meer dan de donkerblauwe oceaan eronder. Omdat deze 'scheepssporen' een deel van de zonne-energie blokkeren om het aardoppervlak te bereiken, voorkomen ze een deel van de opwarming die anders zou optreden. 

 

De vorming van scheepssporen wordt beheerst door dezelfde basisprincipes achter alle wolkenvorming. Wolken verschijnen van nature wanneer de relatieve vochtigheid de 100 procent overschrijdt, waardoor condensatie in de atmosfeer ontstaat. Individuele wolkendruppels vormen zich rond microscopisch kleine deeltjes die wolkencondensatiekernen worden genoemd (ook wel CCN, naar het Engelse cloud condensation nuclei). Over het algemeen verhoogt een toename van CCN het aantal wolkendruppels terwijl ze kleiner worden. Door een fenomeen dat bekend staat als het Twomey-effect, verhoogt deze hoge concentratie van druppeltjes de reflectie van de wolken (ook wel albedo genoemd). Bronnen van CCN zijn onder meer aerosolen zoals stof, pollen, roet en zelfs bacteriën, samen met door de mens veroorzaakte vervuiling door fabrieken en schepen. Boven afgelegen delen van de oceaan zijn de meeste CCN's van natuurlijke oorsprong en bevatten ze zeezout van beukende oceaangolven. 

 

De klimaatverandering te lijf met nep-wolken Satellietbeelden tonen 'scheepssporen' boven de oceaan: heldere wolken die ontstaan ​​door deeltjes die door schepen worden uitgespuwd. Foto: Jeff Schmaltz/Modis Rapid Response Team/GSFC/Nasa

 

Het doel van het MCB-project is na te gaan of het opzettelijk toevoegen van meer zeezout CCN aan lage zeewolken de planeet zou afkoelen. De CCN zou worden opgewekt door zeewater van schepen te sproeien. De onderzoekers verwachten dat het opgespoten zeewater onmiddellijk in de lucht opdroggt en kleine zoutdeeltjes vormt, die via convectie naar de wolkenlaag stijgen en als instigator voor wolkendruppels fungeren. Deze gegenereerde deeltjes zouden veel kleiner zijn dan de deeltjes van beukende golven, dus er zou slechts een kleine relatieve toename van de zeezoutmassa in de atmosfeer zijn. Het doel is om wolken te produceren die iets helderder zijn (met 5 tot 10 procent) en mogelijk langer meegaan dan gewone wolken, waardoor er meer zonlicht wordt teruggekaatst naar de ruimte. 

 

Op zoek naar het perfecte sproeisysteem

Het project omvat drie cruciale onderzoeksgebieden. Ten eerste zoeken ze uit of ze de reflectiviteit op een betrouwbare en voorspelbare manier kunnen verhogen. Ten tweede maken ze modellen om te begrijpen hoe MCB het weer en het klimaat zowel lokaal als wereldwijd zou beïnvloeden. En ten derde ontwikkelen ze een sproeisysteem dat deeltjes kan produceren in de grootte en concentratie die nodig is voor de eerste kleinschalige veldexperimenten.

 

De klimaatverandering te lijf met nep-wolkenIn het fenomeen dat het Twomey-effect wordt genoemd, hebben wolken met hogere concentraties kleine deeltjes een hoger albedo, wat betekent dat ze meer reflecterend zijn. Dergelijke wolken zullen minder snel regen produceren, en het vastgehouden wolkenwater zou de albedo hoog houden. Aan de andere kant, als droge lucht van boven de wolk zich vermengt (meeslepen), kan de wolk regen produceren en een lager albedo hebben. De volledige impact van MCB zal de combinatie zijn van het Twomey-effect en deze cloudaanpassingen. Beeld: Rob Wood  

 

De ideale druppel

Het team schat het aantal deeltjes dat moet worden gegenereerd om een ​​meetbare verandering in albedo te zien op 300 tot 400 per kubieke centimeter en denkt dat een enkel sproeisysteem continu ongeveer 3x10 15 deeltjes per seconde zou moeten afleveren aan een wolkenlaag die ongeveer 2000 vierkante kilometer beslaat. Aangezien het waarschijnlijk is dat niet elk deeltje de wolken zal bereiken, streven ze naar een orde of twee groter.

 

Het sproeisysteem moet zeewaterdruppels genereren die opdrogen tot zoutkristallen met een diameter van 30-100 nanometer. Kleinere deeltjes zullen niet werken als CCN. Deeltjes groter dan een paar honderd nanometer zijn nog steeds effectief, maar hun grotere massa betekent dat er energie wordt verspild bij het maken ervan. En deeltjes die groter zijn dan enkele honderden nanometers kunnen een negatief effect hebben, omdat ze regenval kunnen veroorzaken die tot wolkenverlies leidt.

 

Het creëren van droge zoutkristallen van de optimale grootte vereist het sproeien van zeewaterdruppels met een diameter van 120-400 nm, wat verrassend moeilijk is om op een energiezuinige manier te doen. Conventionele sproeikoppen, waarbij water door een nauwe opening wordt geperst, produceren nevels met een diameter van tientallen micrometers tot enkele millimeters. Om de druppelgrootte met een factor tien te verkleinen, moet de druk door het mondstuk meer dan 2000 keer toenemen. Andere verstuivers, zoals de ultrasone vernevelaars die worden aangetroffen in luchtbevochtigers voor thuis, kunnen evenmin druppeltjes produceren die klein genoeg zijn zonder extreem hoge frequenties en stroomvereisten.

 

Inkjetdruppelspecialist wordt wolkenverbeteraar

Het oplossen van dit probleem vereiste zowel out-of-the-box denken als expertise in de productie van kleine deeltjes. Daar kwam Armand Neukermans in beeld. Na een carrière bij HP en Xerox gericht op de productie van tonerdeeltjes en inkjetprinters, werd Neukermans in 2009 benaderd door een aantal vooraanstaande klimaatwetenschappers, die hem vroegen zijn expertise in te zetten voor het maken van zeewaterdruppels. Hij verzamelde snel een groep vrijwilligers - vooral gepensioneerde ingenieurs en wetenschappers - en in het volgende decennium gingen ze de uitdaging aan.

 

De drie meest veelbelovende technieken die door het team werden geïdentificeerd, waren bruissproeiers, het sproeien van zout water onder superkritische omstandigheden en elektrosproeien om Taylor-kegels te vormen.

 

Bruis

De eerste optie werd beschouwd als de gemakkelijkste om snel op te schalen, dus het team ging ermee verder. In een bruismondstuk worden perslucht en zout water in een enkel kanaal gepompt, waar de lucht door het midden stroomt en het water langs de zijkanten wervelt. Wanneer het mengsel het mondstuk verlaat, produceert het druppeltjes met afmetingen variërend van tientallen nanometers tot enkele micrometers, met het overweldigende aantal deeltjes in ons gewenste groottebereik. Bruissproeiers worden gebruikt in een reeks toepassingen, waaronder motoren, gasturbines en spuitcoatings.

 

De sleutel tot deze technologie ligt in de samendrukbaarheid van lucht. Als een gas door een vernauwde ruimte stroomt, neemt zijn snelheid toe naarmate de verhouding van de stroomopwaartse tot stroomafwaartse druk toeneemt. Deze relatie houdt stand totdat de gassnelheid de geluidssnelheid bereikt. Terwijl de samengeperste lucht het mondstuk met sonische snelheden verlaat en de omgeving binnengaat, die onder een veel lagere druk staat, ondergaat de lucht een snelle radiale expansie die de omringende ring van water in kleine druppeltjes doet exploderen.

 

Het bruismondstuk werkt goed voor kleinschalige tests, maar de efficiëntie moet worden verbeterd. De twee grootste struikelpunten zijn de grote hoeveelheden perslucht die nodig zijn en het grote aandeel te grote druppels. De meest recente inspanningen waren gericht op het herontwerpen van de stroompaden in het mondstuk om tot kleinere hoeveelheden lucht te komen. Het team werkt ook aan het filteren van de grote druppels die regen kunnen veroorzaken. En om de verdeling van de druppelgrootte te verbeteren, overwegen ze manieren om lading aan de druppeltjes toe te voegen; de afstoting tussen geladen druppeltjes zou de coalescentie remmen, waardoor het aantal te grote druppeltjes zou afnemen. 

 

Elektrospray

Bji wijze van backup-plan onderzoekt het team ook de elektrospraytechnologie, die een spray zou kunnen opleveren waarin bijna 100 procent van de druppeltjes binnen het gewenste groottebereik valt. Bij deze techniek wordt zeewater door een emitter gevoerd - een nauwe opening of capillair - terwijl een extractor een groot elektrisch veld creëert. Als de elektrische kracht even groot is als de oppervlaktespanning van het water, vervormt de vloeistof tot een kege (Taylor-kegel). Boven een bepaalde drempelspanning zendt de kegelpunt een straal uit die snel uiteenvalt in sterk geladen druppeltjes. De druppeltjes delen zich totdat ze hun Rayleigh-limiet bereiken, het punt waar de afstoting van de lading de oppervlaktespanning in evenwicht houdt.

 

De klimaatverandering te lijf met nep-wolken Dit diagram (niet op schaal) toont het elektrospraysysteem, dat een elektrisch veld gebruikt om waterkegels te creëren die uiteenvallen in kleine druppeltjes. Beeld: Kate Murphy
 

Gelukkig leveren de typische geleidbaarheid van oppervlaktewater (4 Siemens per meter) en oppervlaktespanning (73 millinewton per meter) druppeltjes op in het gewenste groottebereik. De uiteindelijke druppelgrootte kan zelfs via het elektrische veld worden afgesteld tot tientallen nanometers, met een strakkere grootteverdeling dan we krijgen van mechanische sproeiers.

 

Electrospray is relatief eenvoudig aan te tonen met een enkel emitter-extractorpaar, maar één emitter produceert slechts 10 7-109 druppels per seconde, terwijl er 1016-1017 per seconde nodig zijn. Om die hoeveelheid te produceren, is een reeks van maximaal 100.000 bij 100.000 capillaries nodig.

 

Het bouwen van zo'n samenstel is geen sinecure. Het team gebruikt hiervoor technieken die eerder worden geassocieerd met cloud computing dan met echte clouds. Met behulp van dezelfde lithografie-, ets- en depositietechnieken die worden gebruikt om geïntegreerde schakelingen te maken, kunnen ze grote reeksen kleine capillaries fabriceren met uitgelijnde extractors en nauwkeurig geplaatste elektroden.

 

De klimaatverandering te lijf met nep-wolkenAfbeeldingen gemaakt met een scanning-elektronenmicroscoop tonen de capillaire emitters die in het elektrospraysysteem worden gebruikt. Foto: Kate Murphy  

 

Testuitdagingen

Het testen van deze technologieën brengt nog een andere reeks uitdagingen met zich mee. Idealiter zouden de onderzoekers de initiële grootteverdeling van de zoutwaterdruppels willen weten. In de praktijk is dat bijna niet te meten. De meeste van onze druppeltjes zijn kleiner dan de golflengte van licht, waardoor contactloze metingen op basis van lichtverstrooiing uitgesloten zijn. In plaats daarvan moeten ze de deeltjesgrootte verderop meten, nadat de pluim is geëvolueerd. Een scanning elektrische mobiliteitsspectrometer genaamd, meet de mobiliteit van geladen droge deeltjes in een elektrisch veld om hun diameter te bepalen. Maar die methode is gevoelig voor factoren als de grootte van de kamer en luchtstromen en of de deeltjes botsen met objecten in de kamer.

 

Om deze problemen aan te pakken, heeft het team een afgesloten tent van 425 kubieke meter gebouwd, uitgerust met ontvochtigers, ventilatoren, filters en een reeks sensoren. Door in de tent te werken, kunnen ze voor langere tijd en met meerdere sproeiers sproeien, zonder dat de deeltjesconcentratie of vochtigheid hoger wordt dan wat je in het veld zou zien. Ze kunnen ook bestuderen hoe de sproeipluimen van meerdere sproeiers in de loop van de tijd op elkaar inwerken en evolueren. Bovendien kunnen we de omstandigheden boven de oceaan nauwkeuriger nabootsen en parameters zoals luchtsnelheid en vochtigheid afstemmen.

 

De klimaatverandering te lijf met nep-wolkenGary Cooper en stagiaire Jessica Medrado testen het bruismondstuk in de tent. Foto: Kate Murphy  

 

De volgende stap is testen in de buitenlucht om het gedrag van de pluimen in reële omstandigheden te bestuderen, maar met een snelheid die te laag is om de wolken meetbaar te verstoren. Het team wil de deeltjesgrootte en -concentraties ver benedenstrooms van de veldspuit meten, van honderden meters tot enkele kilometers, om te bepalen of de deeltjes opstijgen of zakken en hoe ver ze zich verspreiden. Dergelijke experimenten zullen helpen de technologie te optimaliseren en vragen te beantwoorden zoals of er warmte aan het systeem moet worden toegevoegd om de deeltjes aan te moedigen naar de wolkenlaag te stijgen.

 

Deze gegevens worden uiteraard teruggevoerd aan de modellen. En als de resultaten van de modelstudies veelbelovend zijn, kan MCB overgaan tot veldexperimenten waarbij wolken voldoende worden opgelicht om sleutelprocessen te bestuderen. Dergelijke experimenten zouden kort worden gehouden, zodat eventuele effecten op het klimaat niet significant zijn en een kritische controle bieden van de simulaties. Dan wordt wellicht ook duidelijk of MCB kan helpen de gevolgen van klimaatverandering te voorkomen, of dat het te riskant is, of niet effectief genoeg om nuttig te zijn.

 

Bron: IEEE

 
 

Reacties (1)

Misschien is het eenvoudiger om de druppels toe te voegen in de uitmonding van een straalmotor van bijvoorbeeld een lijnvliegtuig.
Ook is voor testen medewerking van rederijen te vragen, omdat zij al uitgerust zijn met de nodige schepen waarop de tests kunnen plaatsvinden. Je gaat als het ware gebruik maken van degene die medeverantwoordelijk zijn van de klimaatverandering.
Gerard Rooijakkers, 14 september 2021 13:54
 

Gerelateerd nieuws

Intelligente camera helpt Nederlands CSI

Intelligente camera helpt Nederlands CSI

Een liniaal langs een voetafdruk of bloedspoor. Dat hoeft straks niet meer. Dankzij een nieuwe techniek die de TU Delft en het NFI ontwikkelden voor het verbeteren van bewijsfotografie bij sporenonderzoek: De FreeRef.…

Nijmegen heeft langste 3D-betongeprinte fietsbrug ter wereld

Nijmegen heeft langste 3D-betongeprinte fietsbrug ter wereld

Met een lengte van 29 meter beschikt Nijmegen sinds kort over de langste betonnen 3D-fietsbrug ter wereld. De brug is in volledige vormvrijheid ontworpen, dankzij onderzoek aan de Technische Universiteit Eindhoven en de…

Elektronica-industrie maakt massaal gebruik van kinderarbeid

Elektronica-industrie maakt massaal gebruik van kinderarbeid

Veel mensen, ook professionals, zijn zich er niet van bewust, maar in de elektronica-industrie wordt massaal gebruik gemaakt van een grondstof die onder zeer ongezonde en gevaarlijke omstandigheden wordt gedolven door…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Volledig metalen transponderschakelaar CTA

Met een volledig metalen behuizing is deze CTA een nóg sterkere variant dan de kunststof versie.

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

23 september 2021, Brainport Industries Campus, Eindhoven

[RE]CONNECT EVENT

Een conferentie over test- en meettechnologieën voor ingenieurs, wetenschappers en managers.

23 september 2021

Online dag over simulaties voor milieutechniek

Comsol houdt een online event over de toepassing van simulaties binnen de milieutechniek.

28 september 2021

Electronics & Applications

E&A gaat over de totale elektronicaketen van print tot product.

Meer agendapunten »