Warning: A skin using autodiscovery mechanism, boinc_poland, was found in your skins/ directory. The mechanism will be removed in MediaWiki 1.25 and the skin will no longer be recognized. See https://www.mediawiki.org/wiki/Manual:Skin_autodiscovery for information how to fix this. [Called from Skin::getSkinNames in /data/www/www.boincatpoland.org/htdocs/wiki/includes/Skin.php at line 74] in /data/www/www.boincatpoland.org/htdocs/wiki/includes/debug/Debug.php on line 303

Warning: A skin using autodiscovery mechanism, fratman_enhanced, was found in your skins/ directory. The mechanism will be removed in MediaWiki 1.25 and the skin will no longer be recognized. See https://www.mediawiki.org/wiki/Manual:Skin_autodiscovery for information how to fix this. [Called from Skin::getSkinNames in /data/www/www.boincatpoland.org/htdocs/wiki/includes/Skin.php at line 74] in /data/www/www.boincatpoland.org/htdocs/wiki/includes/debug/Debug.php on line 303

Strict Standards: Declaration of Skinboinc_poland::initPage() should be compatible with Skin::initPage(OutputPage $out) in /data/www/www.boincatpoland.org/htdocs/wiki/skins/boinc_poland.php on line 5
Computing for Clean Water – Wiki B@P Wspieramy naukę

Computing for Clean Water

Z Wiki B@P


Jest to podprojekt platformy World Community Grid.

Water project page.jpg

World Community Grid oraz naukowcy z nowo uruchomionego interdyscyplinarnego centrum mechaniki i innowacji, CNMM w Tsinghua University pracują wspólnie, aby zrozumieć właściwości w skali molekularnej nowej klasy skutecznych i niedrogich materiałów do filtrów wody, które mogą przyczynić się do zaspokojenia popytu na tanią, czysta wodę pitną w krajach rozwijających się.

Czysta woda jest często porównywana do ropy naftowej, jako ograniczony zasób, który był często roztrwaniany w ciągu ostatnich dziesięcioleci, i jest coraz bardziej kosztowny w produkcji. Źródła czystej wody, w szczególności z podziemnych warstw wodonośnych, są na wyczerpaniu w wielu częściach świata. Przy wzroście populacji planety sytuacja ta będzie jeszcze gorsza, i może być pogłębiana przez zmiany klimatu.

Według ostatniego specjalnego sprawozdania o wodzie w The Economist, odsetek ludzi żyjących w krajach, w których chronicznie brakuje wody wzrośnie z 8% ludności świata na przełomie XXI wieku do 45% w 2050 r., które do tej pory będą reprezentować 4 miliardy ludzi.

Każde dziecko w szkole wie, że nasza planeta jest pokryta głównie wodą, większość tej wody - ponad 97% - to woda słona, która może być przekształcona w wodę pitną przez kosztowny proces odsalania. Z około 3% wody, która nie jest słona, 70% jest zamrożona na biegunach. Tak więc, z wyjątkiem morskiego życia, wszystkie zwierzęta na ziemi muszą przeżyć przy mniej niż 1% dostępnej wody na naszej planecie.

W niektórych częściach świata, gdzie wody jest mało, a gęstość zaludnienia wysoka, brak dostępu do czystej wody jest jednym z głównych źródeł chorób takich jak biegunka, co z kolei może powodować niedożywienie. Niedożywienie dzieci jest związane z kwestiami zdrowia przez całe życie, które wpływa na produktywność ludzi. Szacuje się, że długoterminowy wpływ biegunki może osiągnąć w niektórych krajach 4-5% PKB.

W rezultacie, wielu naukowców koncentruje swoją uwagę na nowych sposobach produkcji wody pitnej z zanieczyszczonej lub słonej wody. Oczyszczanie wody zwykle obejmuje kilka etapów, które mogą być oparte na zasadach fizycznych (filtry piaskowe), chemicznych (chlorowanie) lub nawet biologicznych (stawy oczyszczające).

Filtrowanie pod ciśnieniem

Wspólna cecha tego system oczyszczania wody polega na nacisku wody, tak by zmusić ją do przejścia przez błony w mikroskopijnych otworach. Tak jest w przypadku tzw. membranach ultra filtracyjnych, używanych do filtrowania rozpuszczonych substancji, które mogą przedostać się przez filtry piaskowe.

Jest to również zasada procesu znanego jako proces odwróconej osmozy do produkcji wody słodkiej z wody morskiej. Odwrócona osmoza wymaga zewnętrznego nacisku mechanicznego w celu przeciwdziałania ciśnieniu osmotycznemu (które występuje w całej półprzepuszczalnej błonie), i powstrzymaniu przepływ przez nią soli. W przypadku braku zewnętrznych nacisków, układ dąży do osiągnięcia równowagi pomiędzy wysokim ciśnieniem wody słodkiej na jednej stronie błony, a niskim ciśnieniem wody słonej z drugiej strony.

Odwrócona osmoza wymaga zwykle ciśnienia kilkudziesięciu atmosfer do pokonania tej równowagi aby zachować przepływ świeżej wody przez membranę. Produkcja takich wysokich ciśnień i błon, które są odporne na nie, jest drogie. To częściowo wyjaśnia dlaczego woda z odwróconej osmoza nadal stanowi jedynie niewielką część wody pitnej produkowanej na całym świecie.

Nanotechnologia na ratunek

Nanotechnologia jest powszechna w dziedzinach tak różnych, jak elektronika, energia odnawialna i diagnostyka medycznej. Nanorurki węglowych - zwinięte warstwy atomów zwykłego grafitu, który jest wykorzystywany w ołówkach - to jeden z najbardziej obiecujących materiałów w dziedzinie nanotechnologii.

Jedną z najważniejszych cech nanotechnologii jest to, że wiele urządzeń w skali nano nie posiada tych samych cech w skali mikro i makro. Wiele korzystnych właściwości ujawnia się dopiero w skali nano. Tak jest w przypadku wody przepływającej przez układy nanorurek.

Normalnie, tempo przepływu wody przez błony ultra filtracyjne powinno być stałe i zależeć od kurczenia się błon. W rzeczywistości przepływ spada drastycznie, w przybliżeniu do czwartej potęgi promienia porów: pory kurczą się o połowę, a przepływ maleje o współczynnik 1/16.

Ale wyniki opublikowane przez naukowców z University of Kentucky w USA w 2005 r. wykazały, że dla przepływ przez membrany wykonane z nanorurek węglowych, tak nie było. W rzeczywistości, zmierzone natężenie przepływu było o 1000 do 10.000 razy większe niż mogłoby to wynikać z wielkości porów.

Tak dramatyczna poprawy sugeruje, że można osiągnąć wielkie oszczędności w zakresie wymaganych ciśnień, a zatem i energii potrzebnej do pchania wody przez filtry wykonane z nanorurek. Już teraz wielu badaczy prowadzi badania w tym kierunku, i próbuje stworzyć w ten sposób nowej klasy filtry - tanie i bardzo wydajne.

Jest to zawsze długa droga od odkrycia do praktycznych urządzeń. Jednym z najważniejszych kroków na tej drodze jest zrozumienie fizycznego pochodzenia tego wzmocniona, aby lepiej wykorzystać nanorurki. Na tym właśnie skupiają się badania w CNMM, gdzie symulacje komputerowe były wykorzystywane do badania tego zjawiska w skali pojedynczych cząsteczek wody, używając techniki dynamiki molekularnej.

Dotychczasowa historia

Cw page 2.png

Już w 1823 r. francuski fizyk i inżynier Claude-Louis Navier wysunął pomysł, że w idealnych warunkach, niezbędna byłaby znikomo mała siła lub "naprężenia ścinające" do poślizgu cieczy po twardej powierzchni. Innymi słowy, przepływ byłby zasadniczo bez tarcia. Idea ta nigdy nie została w pełni sprawdzona, ale ostatnio zaobserwowane podwyższone wartości przepływu wody przez błony nanorurek węglowych sugerują, że pewne formy tego efektu mogą występować w tych systemach.

Za pomocą symulacji dynamiki molekularnej, naukowcy Tsinghua niedawno stwierdzili że jest logarytmiczna zależność między naprężeniem ścinającym w nanorurkach i prędkością wody, która wydaje się ważna dla wielu założeń dotyczących właściwości nanorurek węglowych, a woda może trzymać się nich - tzw właściwości zwilżające wody interfejsu nanorurek.

Ta logarytmiczna zależność wydaje się zatrzymywać przy prędkości poślizgu około 1 m/s, czyli dolnej granicy jaka może być symulowana. Jeśli stosunek ten występuje przy znacznie niższych prędkościach, charakterystycznych dla rzeczywistych warunków w eksperymentach, w których nanorurki zostały wykorzystane do filtrów wody, może to stanowić znaczący trop, dlaczego przepływu wody jest tak szybki w nanorurkach.

Jednak choć dolna granica prędkości analizowanych przez grupę Tsinghua jest najniższa spośród wszelkich badań dynamiki molekularnej do tej pory, nadal jest co najmniej o rząd wielkości większa niż górna granica zakresu eksperymentalnych przepływów, a kilka rzędów wielkości większa od oczekiwanych przepływów w praktyce stosowanych urządzeń.

Co możesz zrobić Ty oraz World Community Grid ?

Naukowcy szacują że potrzeba ok. 460 lat obliczeń na domowym jednoprocesorowym komputerze aby zasymulować przepływ porównywalny z górnym pułapem mierzonym w doświadczeniach. Rozszerzenie symulacji do około 1cm/s lub mniej, typowej dla urządzeń, wymaga około 184.000 lat. Kolejne zmniejszanie wartości o rząd wielkości wpływa na ogromne zwiększenie potrzebnej mocy obliczeniowej. Dal bardzo małych przepływów potrzeba nawet miliona lat na obliczenia przy wykorzystaniu stacjonarnego komputera

Naukowo, jest niezbędne zbadanie tego regionu niskiej prędkości w celu porównania symulacji bezpośrednio z eksperymentami, bardziej niż wyższych prędkości. Taka ekstrapolacja jest szczególnie problematyczna ze względu na możliwość nieliniowych zjawisk, które mogą wystąpić przy niskich prędkościach.

Ze względu na bardzo duże wymagania obliczeniowe dla prowadzenia tych badań, które są znacznie wyższe od możliwości klastra do dyspozycji zespołu Tsinghua, World Community Grid i wolontariusze jak Ty, mogą zrobić zasadniczą różnicę, zapewniając dostęp do znacznie większej mocy obliczeniowej niż naukowcy mogliby sobie pozwolić.

Realizacja tego projektu pozwoli nam nie tylko na sprawdzenie prognozy Navier, przyczyniając się do poszerzenia podstawowej wiedzy na temat hydrodynamiki w nanoskali, ale także zapewnić dalszą optymalizację przepływu płynu przez błony nanorurek węglowych i innych form błon w nanoskali.

W szczególności, zespół Tsinghua spodziewa się lepszego fizycznego zrozumienia optymalnej wielkości porów w funkcji natężenia przepływu, które zostaną wykorzystane do syntezy i wytwarzania w przyszłości, wysoko wydajnych filtrów węglowych z nanorurek, a także zaproponować alternatywne metody taniej filtracji wody.

Przydatne linki

Strona główna projektu

Forum projektu

Personel projektu

  • Quanshui Zheng, CNMM, Tsinghua University, Beijing, China
  • Zhiping Xu, CNMM, Tsinghua University, Beijing, China
  • Ming Ma, CNMM, Tsinghua University, Beijing, China
  • Wei Xiong, CNMM, Tsinghua University, Beijing, China

Współpracownicy:

  • Zhong Zhang, National Centre for Nano Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
  • Luming Shen, School of Civil Engineering, University of Sydney, Australia
  • Jefferson Zhe Liu, Department of Mechanical Engineering, University of Monash, Australia
  • Francois Grey, Citizen Cyberscience Centre, CERN, Geneva, Switzerlan