공기 우물

배경

모든 공기 우물의 설계에는 이슬이 형성될 정도로 온도가 충분히 낮은 기질이 포함된다. 이슬은 대기 중의 수증기가 구조물에 응축될 때 자연적으로 발생하는 강수의 형태다. 이것은 안개와는 다른데, 안개는 공기 중의 입자 주위에 응결된 미세한 물방울로 이루어지기 때문이다. 응축은 수분 수집이 지속되기 위해 사라져야 하는 잠열을 방출한다.
공기 우물은 공기 중의 수분을 필요로 한다. 세계의 모든 곳은, 심지어 사막에서도, 주변의 대기는 최소한 약간의 물을 함유한다. 베이센스Beysens와 밀리모크Milimouk에 따르면, "대기는 12,900 세제곱킬로미터 (3,100 cu mi)의 깨끗한 물을 함유하고 있으며, 98%의 증기와 2%의 응집된 물(구름)으로 구성된다. 사람이 거주하는 지역의 재활용 가능한 수자원 (12,500 km³) 에 필적하는 수치이다." 공기 중에 증기로서 함유된 물의 양은 일반적으로 상대습도로 보고되고, 이는 온도에 의존한다. 따뜻한 공기는 더 차가운 공기보다 더 많은 수증기를 함유할 수 있다. 공기가 이슬점까지 냉각되면 포화 상태가 되어 수분이 적당한 표면에 응축된다. 예를 들어 대기의 온도가 20 °C (68 °F)이고 상대습도가 80%인 경우 이슬점은 16 °C (61 °F)이다. 상대습도가 50%이면 이슬점은 9 °C (48 °F)로 떨어진다.
관련이 있지만 상당히 거리가 먼 대기의 수분을 채취하는 기술로 안개 그물이 있다.
공기 우물과 이슬 연못 dew pond을 혼동해서는 안 된다. 이슬 연못은 가축에 물을 공급하기 위한 인공적인 연못이다. 이슬 연못dew pond (구름 우물cloud pond, 안개 우물mist pond)이라는 이름은 연못이 공기에서 유래한 수분으로 채워진다는 널리 알려진 믿음에서 유래했다. 사실, 이슬 연못은 주로 빗물로 채워진다.
암석 멀칭은 건조한 지역의 농작물의 생산을 크게 늘릴 수 있다. 제일 돋보이는 사례는 카나리아 제도에서 찾아볼 수 있다. 란사로테 섬은 연간 140 밀리미터 (5.5 in)의 비가 내리며, 항구적인 강은 존재하지 않는다. 그럼에도 상당히 많은 농작물이 화산암 멀칭을 사용하여 자라날 수 있는데, 이러한 기법은 1730년의 화산 폭발 이후 발견되었다. 누군가는 암석 멀칭의 효과가 이슬을 생산하는 데 있다고 생각한다. 이 발상은 어떤 사상가들에게 영감을 불어넣었지만, 그 효과가 대단한 것 같지는 않다. 오히려 식물들은 그들의 잎에서 직접적으로 이슬을 흡수할 수 있으며, 암석 멀칭의 주된 이점은 토양에서 손실되는 물의 양을 줄이고 잡초와의 경쟁을 없애는 것이다.

역사

20세기 초반에, 많은 발명가들이 육중한 수집기를 실험했다. 주목할만한 사람들은 러시아 공학자인 (때때로 프리드리히 지볼트Siebold라 불린) 프리드리히 지볼드, 프랑스의 생태기후학자 레옹 샤프탈, 독일계 호주 연구자 볼프 클라파커와 벨기에 발명가 아힐 크나펜이 있다.

지볼드의 수집기

1900년에 페오도시야의 고대 비잔틴 도시 유적의 근방에서, 이 지역을 담당했던 수목관리원이자 공학자였던 지볼드는 13개의 돌무더기를 발견했다. 각각의 돌무더기는 900 제곱미터 (9,700 ft²) 이상을 뒤덮었고, 높이는 10 미터 (33 ft) 에 달했다. 도시의 우물과 분수로 이어지는 직경 75-밀리미터  (3.0 in) 의 테라코타 관들의 잔해가 같이 발견되었다. 지볼드는 돌무더기들이 페오도시야에 수분을 공급하는 응축기였다고 결론지었다. 그리고 각각의 공기 우물이 하루에 55,400 리터 (12,200 imp gal; 14,600 US gal) 이상을 생산했을 것이라고 계산했다.
그의 가설을 검증하기 위해 지볼드는 테오도시야의 고대 유적지 근처의 산 테페-오바의 고도 288 미터 (945 ft) 의 장소에 돌무더기 응축기를 건설했다. 지볼드의 응축기는 배수 기능이 있는 접시 모양의 수집 영역을 높이 1 미터, 너비 20 미터의 벽으로 둘러싼 형태를 띄었다. 그는 직경 10–40 센티미터 (3.9–15.7 in)의 조약돌을 사용해 꼭대기의 지름이 8 미터 (26 ft), 높이가 6 미터 (20 ft)인 끝부분이 잘린 고깔 모양의 구조물 형태를 쌓아올렸다. 돌무더기의 모양은 돌 사이의 열접촉을 최소화하고 돌 사이사이에 공기가 잘 흐르도록 한다.
지볼드의 응축기는 1912년에 작동하기 시작했는데, 지볼드는 당시에 공식적으로 생산량을 측정하지 않았으며 후에 하루에 최대 360 리터 (79 imp gal; 95 US gal)를 생산했을 것으로 평가되었다. 기반에서 물이 새어나가게 되어 1915년에 실험을 중단하였고, 실험 장소는 버려지기 전에 부분적으로 해체되었다. (이후 실험장소는 1993년에 다시 발견되어 완전히 정리된다.) 지볼드의 응축기는 이전에 발견된 고대의 돌무더기와 거의 같은 크기였고, 그 생산량은 원래의 구조물에서 측정한 것보다 훨씬 적었지만, 이러한 실험은 훗날의 개발자들에게 영감을 주었다.

샤프탈의 수집기

지볼드의 작업에 영감을 받아, 샤프탈은 1929년에 몽펠리에 근처에 작은 공기 우물을 지었다. 샤프탈의 응축기는 밑변의 넓이가 3 미터 (9.8 ft)에 높이가 2.5 미터 (8 ft 2 in)인 피라미드형의 구조물이었으며, 직경 7.5 센티미터 (3.0 in)인 석회암 조각으로 8 세제곱미터 (280 cu ft) 만큼 채워졌다. 작은 구멍들이 피라미드의 꼭대기와 바닥에 뚫렸다. 이 구멍들은 공기의 흐름을 조절해야 할 때 개폐될 수 있었다. 구조물은 밤에 냉각되었고, 해가 떠 있을 때 따뜻하고 습한 공기가 안으로 들어왔다. 석회석 조각 위에 이슬이 형성되었고 지면 아래의 저장소에 수집되었다. 획득한 물의 양은 대기의 상태에 따라 하루에 1 리터 (0.22 imp gal; 0.26 US gal)에서 2.5 리터 (0.55 imp gal; 0.66 US gal)까지 요동했다.
샤프탈은 그의 실험을 성공적이라고 생각하지 않았다. 그는 1946년에 응축기에서 손을 뗄 때 응축기를 망가뜨렸는데, 아마 그가 부적절한 응축기를 방치하여 후에 공기 우물에 대한 연구를 지속할 수 있는 사람들을 잘못 인도하기를 원하지 않았던 것 같다.

크나펜의 공중 우물

건물에서 습기를 제거하는 체계에 종사했던 크나펜은 샤프탈의 작업에 영감을 받아 프랑스의 트랑스 앙 프로방스의 높이 180 미터 (590 ft)의 언덕에 야심차게 큰 puits aerien(공중 우물aerial well)을 건설하기 시작했다. 크나펜의 이슬탑은 1930년에 건설되기 시작해 1년 반이 걸렸다. 이것은 오늘날에도 어느 정도 허물어진 상태이긴 하지만 여전히 서있다. 응축기는 건설되는 동안 다소의 사람들의 흥미를 유발했다.
탑은 높이가 14 미터 (46 ft)이며 공기를 내부로 들이기 위해 많은 구멍이 있는 3 미터 (9.8 ft) 두께의 육중한 석조 벽을 가진다. 탑의 내부에는 콘크리트로 만든 육중한 기둥이 있다. 밤에는 구조물 전체가 시원해질 수 있고, 낮에는 따뜻하고 습한 공기가 높은 곳의 구멍을 통해 구조물 안으로 들어오고, 냉각되고, 내려가서, 낮은 곳의 구멍을 통해 건물을 빠져나간다. Knapen의 의도는 물이 시원한 내부의 기둥에 응축되도록 하는 것이었다. 응축 표면은 거칠어야 하고 표면장력은 응축된 물이 떨어지기에 충분할 정도로 낮아야 한다는 샤프탈의 발견을 바탕으로, 중앙 기둥의 겉표면에는 돌출된 점판암 판이 박혀있었다. 점판암은 구조물 밑바닥의 웅덩이로 이슬이 떨어지도록 하기 위해 거의 수직에 가깝게 배치되었다.
불행히도, 공중우물은 원했던 성능을 성취한 적이 없었고 하루에 몇 리터 이상을 생산하지 않았다.

이슬 이용을 위한 국제적인 조직

20세기 말까지, 이슬이 어떻게 응축되는 지에 대한 공학적인 이해도가 크게 높아졌다. 통찰의 열쇠는 재빨리 열을 복사하여 식어버리는 가벼운 수집기가 제일 잘 작동한다는 것이었다. 많은 연구자들이 이 방식을 연구했다. 1960년대 초반에, 폴리에틸렌 막을 단순한 골조로 지지하여 견고한 텐트 모양을 이루는 방식으로 만들어진 이슬 응축기들이 식물에 관개하기 위해 이스라엘에서 사용되었다. 이러한 수집기로부터 극소량의 강수량과 이슬을 공급받은 묘목들은 그러한 지원을 받지 못한, 여름에 전부 말라죽은 통제집단보다 훨씬 잘 살아남았다. 1986년에 특별한 금속 호일로 만들어진 뉴멕시코의 응축기는 어린 묘목을 부양하기에 충분한 물을 생산했다.
1992년에 프랑스의 교수들의 모임은 물리학자 다니엘 베이센스가 어떻게 고대 테오도시아가 이슬 응축기로부터 물을 얻어냈는지에 관한 일화를 발표한 우크라이나의 응집물질 컨퍼런스에 참석했다. 교수들은 흥미가 동하여 1993년에 그 장소를 방문했다. 그들은 지볼드가 이슬 응축기라고 생각한 언덕들은 사실 봉분 (고대 테오도시아의 공동묘지의 일부분) 이며 파이프들은 중세시대에 만들어졌고 언덕의 건설과는 관련이 없다고 결론지었다. 그들은 지볼드의 응축기의 잔해를 찾아내어 깔끔히 정리했고 꼼꼼히 조사했다. 지볼드의 응축기는 확실히 잘 작동했지만, 사실 결과는 전혀 명확하지 않았고, 안개의 영향으로 응축기의 수집량이 크게 늘어났을 수도 있었다. 지볼드의 응축기가 잘 작동했다면, 아마 언덕의 표면에 가까운 돌들이 지면에서 열적으로 고립되어 있었고 밤에 열기를 잘 발산할 수 있다는 사실 때문이었을 것이다; 하지만 응축기는 지볼드가 예상한만큼 수분을 생산한 적이 없었다.
열정이 불붙은 모임은 프랑스로 돌아가서 이슬을 물을 얻을 수 있는 대체수단으로 활용하고자 하는 명확한 목표를 가지고 국제이슬활용협회 (OPUR) 를 설립했다.
OPUR는 산업 환경 하의 이슬 응축의 연구를 시작했다. 그들은 특별한 소수성 막을 개발했고, 코르시카의 30 제곱미터 (320 ft²) 넓이의 응축기를 포함하여 시범적인 설치를 실험했다. 응축 표면의 질량은 열기를 보유하지 못하도록 최대한 가볍게 해야 하며, 단열층을 통해 원하지 않는 열기의 방사로부터 응축기를 보호하여야 하고, 표면이 소수성을 띄어서 응축된 수분을 즉시 흘릴 수 있어야 한다는 것과 같은 필수적인 통찰이 있었다.
그들이 그들이 만든 실용적인 응축기를 처음으로 설치하기 위한 준비가 되었을 때, 그들은 구성원 중 하나인 기르쟈 샤란이 인도 코타라에 이슬 응축기를 건설해도 된다는 허락을 얻었다는 것을 들었다. 샤란은 2001년 4월에 잠시 머물던 쿠치의 건조한 해안 지역의 토란 비치 리조트에서 전원 주택의 지붕에 응축 현상이 곧잘 일어난다는 것을 우연히 알아챘다. 그는 이후 수년 간 이러한 현상을 자세하게 조사했고 지역 주민들과 이야기를 나눴다. 샤란과 그의 팀은 구자라트 에너지 개발부와 세계은행으로부터 자금을 지원받아 쿠치의 건조한 해안 지역에 사용하기 위한 수동형 복사냉각 응축기를 개발하기 시작했다. 적극적인 상업화는 2006년에 시작되었다.
샤란은 다양한 물질을 실험했고 아연도금 철과 알루미늄 판에서 좋은 결과를 얻었지만, 두께가 400 마이크로미터 (0.016 in)에 불과하며 OPUR에 의해 개발된 특별한 플라스틱의 판이 금속 판보다도 훌륭하게 작동하며 더 싸다는 것을 발견했다. OPUR 포일이라고 알려진 이 플라스틱 막은 친수성이며 폴리스티렌에 이산화티타늄과 황산바륨을 섞어 만든 것이다.

종류

공기 우물에서 수분을 수집하는 히트 싱크의 설계에는 세 가지의 이론적인 접근 방식이 있다. 20세기 초에는 육중한 공기 우물이 주로 쓰였지만, 거대한 구조물의 건설을 포함하는 많은 실험에도 불구하고, 이 접근 방식은 틀렸다는 것이 증명되었다.
20세기 후반 이후로, 가볍고 열기를 잘 복사하는 수집기에 대해 많은 실험이 행해져왔다. 이것들은 훨씬 성공적이라는 것이 증명되었다.

복사냉각식

복사냉각식 공기 우물은 밤하늘에 열방사를 통해 기질을 냉각하기 위해 개발되었다. 기질은 질량이 낮아 열기를 가둘 수 없으며, 땅을 포함한 어떤 질량과도 열적으로 격리되어 있다. 전형적인 복사냉각식 수집기의 응축면은 지면과 30°의 각도를 이룬다. 응축면은 스티로폼 등의 단열 물질로 이루어진 두꺼운 층으로 뒷받침되며, 지면에서 2–3 미터 (7–10 ft) 정도 높이로 지지된다. 이러한 응축기는 간편하게 낮은 건물의 지붕 끝에 설치되거나 단순한 틀로 지탱될 수 있다. 다른 높이에서는 대개 아주 잘 작동하지는 않지만, 지면 가까이나 2층 건물의 위에 설치하는 것이 비용이 적게 들거나 편리하다.
이 문서의 첫 부분에 묘사된 600 제곱미터 (6,500 ft²)의 복사냉각식 응축기가 지면 근처에 지어졌다. 응축기가 설치된 인도의 북서부 지역은 일년에 8개월 동안 이슬이 발생하고, 응축기는 거의 백일의 이슬이 맺히는 밤 동안 계절 내내 이슬물을 15 밀리미터 (0.59 in) 씩 수집하였다. 응축기는 한 해에 학교에서 사용할 수 있는 총 9,000 리터 (2,000 imp gal; 2,400 US gal) 의 식수를 생산한다.
납작한 설계가 단순함의 이점을 가지고 있지만, 뒤집힌 피라미드와 고깔 모양 같은 다른 설계가 확연하게 더 효과적일 수 있다. 이는 아마도 설계가 아래의 대기에서 복사되는 불필요한 열기로부터 응축기 표면을 보호하고, 이것들이 대칭적이기 때문에 바람의 방향에 민감하지 않기 때문일 것이다.
새로운 재질로 더욱 훌륭한 수집기를 만들 수 있다. 이러한 재질 중 하나는 공기 중에서 추출한 수분만을 이용해 생존하는 나미브 사막 딱정벌레에게서 영감을 받았다. 이 딱정벌레의 등딱지는 미세한 돌기로 뒤덮여있다는 것이 밝혀졌다. 돌기의 끝은 친수성이고 돌기 사이는 소수성이다. 매사추세츠 공과대학교의 연구자들은 교차하는 소수성 물질과 친수성 물질을 결합한 직조된 표면을 만들어내어 이러한 성질을 모방하였다.