추상적인

안개가 많고 물이 부족한 지역에서는 주민들이 이 자원에 의존하여 담수를 얻을 수 있습니다. 안개를 수확할 수 있는 잠재력은 전 세계적으로 검토된 Large Fog Collector 프로젝트를 통해 확인되었습니다. 대부분 환경 및 복잡한 사회적 요인으로 인한 유지 관리 문제는 이러한 프로젝트의 지속 가능성을 손상시킵니다. 연구자들은 향상된 재료를 개발하여 이러한 문제를 해결하려고 노력하는 반면, 다른 연구자들은 생체 모방 디자인을 사용하여 혁신적인 수집가를 만들어냅니다. 이 논문의 목적은 최신 기술을 조사 및 검토하고 개념적, 실험적, 운영적 측면을 포함하여 다양한 유형의 혁신적인 안개 수집기의 프레임워크를 개발하는 것입니다.

1. 소개

담수에 대한 수요는 증가하는 반면, 인구 과잉, 도시 이주, 인간에 의한 온실가스 배출로 인해 가용성은 감소합니다[ 1 ]. 전 세계적으로 20억 명의 사람들이 매일 물 스트레스를 겪고 있으며, 그중 11억 명은 대부분 도시 빈민가나 외딴 건조한 지역에 거주하며 하루에 물이 5리터에 불과합니다[ 2 ]. 매일 기본적인 물 필요량을 충족하려면 각 사람에게 최소 20리터가 공급되어야 합니다[ 2 ]. 고립된 지역사회는 일반적으로 기존의 물 공급 네트워크에 연결되어 있지 않은 반면, 도시 빈민가의 네트워크는 종종 열악한 상태이며 지방 정부에 의해 적절하게 규제되지 않습니다[ 3 ]. 이러한 위협적인 물 부족 문제에 대처하기 위해 담수화, 빗물 수집, 지하수 수집과 같은 대안이 전 세계적으로 연구되고 구현되고 있습니다. 이러한 대안이 부족하거나 존재하지 않는 경우 대기 중 물 수확이 가능할 수 있습니다. 안개가 많은 (반)건조 지역에서는 주민들이 음주, 농업 및 재조림 목적으로 안개 수집가에 전적으로 또는 보충 공급을 의존할 수 있습니다[ 4 ]. 가장 눈에 띄고 널리 설치되는 수집기는 FogQuest의 LFC(Large Fog Collector)입니다[ 5 ]. 안개 수확은 자연에서 흔히 볼 수 있는 관행이며, 인간이 만든 수집기의 효율성을 높이기 위해 연구자들은 자연에서 영감을 받은 복잡한 인간 디자인 문제에 대한 솔루션으로 정의되는 유망 연구 분야인 생체모방을 연구하고 있습니다. [ 6 ]

남아프리카의 Marloth 박사가 1903년부터 안개 날짜를 수집하기 위해 최초로 과학적으로 문서화된 타당성 조사를 실시했습니다[ 7 , 8 ]. 1900년대 말에 실행 가능한 수자원으로서 안개 수집이 관심을 얻었고 이는 Qadir et al.이 설명하는 출판물의 증가에서 볼 수 있습니다. [ 9 ] 그림 1 . 이 논문에서 검토한 안개 수집에 관한 출판 날짜가 그래프에 추가됩니다.

본 논문의 주요 목적은 최신 기술을 조사 및 검토하고 개념적, 실험적, 운영적 측면에 초점을 맞춰 기존 물 수확기의 프레임워크를 개발하는 것입니다. 개념적이란 매개변수적으로 설계된 프로토타입, 과학적 개발을 위해 전체 규모로 테스트되고 커뮤니티 내에서 구현된 수집가에게 작동되는 실험적인 디자인을 나타냅니다. 안개 수집 프로젝트에 대한 정보는 산재해 있으며, 본 논문에서는 다양한 수집가를 분석하여 이러한 격차를 메우는 것을 목표로 한다. 이 조사 및 검토 노력의 섹션 2~5는 다음 질문에 따라 구성됩니다. 전 세계적으로 가장 실현 가능한 안개 수집 지역은 어디입니까? 자연의 안개 수집가는 무엇입니까? 안개 수집기의 작동 메커니즘은 무엇입니까? LFC 설치의 성공을 위한 커뮤니티의 역할은 무엇입니까? LFC 프로젝트의 정교화에 이어 여섯 번째 섹션에서는 전통적인 것으로 간주되는 LFC를 사용하여 최첨단 메쉬 개발, 대체 개념 및 실험 수집기 및 운영 안개 수집 프로젝트에 대한 비교 분석을 제공합니다. 결론적으로 효율적인 지역사회 기반, 비용 효율성 및 도시 통합 수확기에 대한 향후 연구에 대한 제안이 제공됩니다. 체계적인 문헌 검토, 비교 분석, 두 번의 전문가 인터뷰 및 현장 방문 등 다양한 방법을 조합하여 사용합니다.

2. 안개 수집 가능 지역

안개 강수는 지역적 현상으로 주로 산의 경사면이나 정상에서 번성하며 일반적으로 생물 다양성의 원천입니다[ 10 ]. 정의에 따르면, 안개는 1~40 마이크론의 물 입자를 포함하는 땅에 닿는 구름입니다. 안개로부터 수분을 자원으로 수확하는 맥락에서 이류 안개, 지형 안개, 복사 안개 등 세 가지 유형이 관련됩니다[ 5 ]. 이류 안개는 바다와 같은 차가운 표면 위로 수평으로 이동하는 따뜻하고 습한 기단을 통해 형성됩니다. 지형 안개는 지형 장애물 역할을 하는 육지를 따라 위쪽으로 이동하는 습한 기단에 의해 형성됩니다. 특정 높이에서는 공기가 팽창합니다. 둘 다 상대적으로 강한 바람이 특징인 반면, 추운 기간 동안 대부분 내륙에 위치한 크고 안정적인 차가운 기단이 축적된 복사안개는 풍속이 낮아 수확에 가장 흥미가 없는 것이 특징입니다. [ 11 ] 일반적으로 2~12m/s 범위의 풍속 외에도 LWC(액체 수분 함량)는 안개 수집에 중요한 요소이며 구름에 있는 물방울의 양과 크기입니다[ 5 ]. 남미, 아프리카, 아라비아 반도 해안을 따라 다양한 안개 오아시스가 발견됩니다. 이들은 건조함이 특징이지만 유기체는 (계절) 낮은 성층권의 존재를 통해 생존합니다[ 12 , 13 ]. 더욱이 멕시코 치아파스 지역과 필리핀 등 계절적 가뭄을 겪는 열대 고지대도 안개 수집의 혜택을 누릴 수 있습니다[ 14 ].

3명의 자연 안개 수집가

물이 부족한 곳에 사는 유기체는 주로 안개에 의존하며 공기 중에서 물을 포획하는 효율적인 방법을 개발했습니다. 자연 안개 수집은 침엽수 삼나무와 같은 나무에서 발생합니다. 수확되는 물의 양은 나무의 구조와 현재 안개가 자욱한 바람에 따른 잎의 습윤성에 따라 달라집니다. 유리한 조건에서는 작은 물방울이 잎에 합쳐져 뿌리가 물방울을 흡수할 수 있는 땅에 떨어집니다[ 10 ]. 고대 공동체는 나무 아래에 우물을 파서 이 신선한 물을 얻었습니다[ 15 ]. 틸란드시아 란드베키(Tillandsia landbeckii)는 건조한 아타카마 사막에서 안개를 막아 번성하는 유일한 생물 중 하나로 알려져 있습니다. 식물은 섬유질 같은 잎, 즉 트리코메(trichomes)를 통해 물을 흡수한 후 두꺼운 층을 통해 효율적으로 저장되어 물 손실이 거의 0에 가깝습니다[ 16 , 17 ]. 멕시코 사막에 서식하는 선인장은 가시에 미늘이 발달하여 물방울의 차단을 용이하게 하고, 그 후 미늘이 자라서 라플라스 압력 구배로 인해 끝 부분으로 이동하고 선인장의 두꺼운 살에 흡수됩니다. [ 18 ] .

동물들은 또한 나미브 사막 딱정벌레의 안개를 쬐는 능력과 같이 수분을 수확하는 효율적인 방법을 개발했습니다. 등 피부는 물방울이 모이는 친수성 영역과 소수성 영역이 교대로 이루어져 있어 물방울이 딱정벌레의 입으로 흘러내릴 수 있습니다[ 19 ]. 도마뱀의 피부도 마찬가지로 물을 모으고 입 방향으로 좁아지는 열린 채널을 통해 물방울을 입으로 보내는 데 적합합니다. 물의 이동은 모세관 작용을 통해 이루어집니다[ 18 ]. 이러한 진화 지능은 주로 재료 과학자들이 효율적인 재료를 개발하기 위해 연구합니다. 안개 수집과 관련하여 안개 차단 메쉬의 효율성을 높이려면 패브릭 소재를 연구하는 것이 중요합니다.

4 안개 수확 메커니즘

그림 2는 안개가 가해진 바람에 수직으로 배치된 메쉬를 사용하여 물방울을 포착하여 안개를 생성하는 메커니즘을 보여줍니다. 바람에 의해 운반된 물방울의 일부가 메쉬 소재에 모여 홈통으로 흘러내립니다. 최적의 효율성을 위해서는 안개 낭비를 최소한으로 유지해야 합니다.

Raschel Mesh(RM)라고 불리는 가장 널리 사용되는 차단 메쉬는 칠레에서 제조된 식품 안전 메쉬입니다. 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 섬유는 폭 1mm, 두께 0.1mm의 편평한 섬유로 구성된 삼각형으로 직조되어 전체 피복 표면(차광 계수)이 약 35%입니다. 삼각형 패턴은 물방울의 효율적인 전달을 가능하게 합니다[ 20 ]. 유출을 완화하고 ~70%의 차광 계수를 얻기 위해 서로 반대 방향으로 움직일 수 있는 이중층이 사용됩니다. LWC 및 풍속 외에도 메시의 기하학적 측면과 표면 습윤성과 같은 물리적 특성이 수집 속도를 결정합니다[ 20 , 21 ]. 따라서 섬유의 두께와 피복된 표면의 비율은 수확 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 더 작은 섬유 크기는 10mm보다 더 나은 효율을 가져오는 반면, 표면의 적용 범위는 안개가 낀 바람이 통과하도록 보장하기 위해 바람을 완전히 차단할 수 없습니다[ 10 ]. 메쉬의 효율성은 일반적으로 배수구에 도달한 물의 양과 정의된 기간 동안 메쉬를 통과한 물방울의 총량의 비율로 측정됩니다[ 22 ].

5개의 대형 안개 수집가

LFC( 그림 3 )는 이중 RM이 늘어진 4×10m의 평평한 프레임을 갖춘 2차원 물 수확 메커니즘입니다. 프레임은 지상 2m 높이에 고정된 두 개의 기둥에 부착됩니다. 이러한 기둥은 기후 상황에 따라 강화하거나 풀어야 하는 턴버클이 있는 케이블로 강화됩니다. LFC 1개의 가격은 미화 1,000~1,500달러입니다[ 5 ]. 현장과 계절에 따라 연간 평균 3~10l/m 2 /일을 얻습니다[ 20 ]. 케이블로 인해 점유된 지면이 상당하므로 LFC는 공간이 있는 지역에만 배치할 수 있습니다. 여러 개의 LFC를 한 곳에 설치하면 두 개의 컬렉터가 중간 극을 공유하므로 공간이 절약됩니다.

5.1. 구현 전 평가

프로젝트를 시작하기 전에 기후학적, 사회적 매개변수를 평가합니다. 수확 가능한 물의 양을 추정하기 위해 일정 기간 동안 하나 이상의 소형 안개 수집기(SFC)를 사용한 예비 테스트를 실행합니다. SFC의 메시 면적은 1m 2 이며 대략 1~10l/m 2 /일을 수확해야 합니다. [ 23 ] 위치가 기후학적으로 이상적인 경우(SFC의 확실한 수확을 의미)에는 LFC 설치가 보장되지 않습니다. 지역 사회의 헌신은 일반적으로 지역 비정부 기구(NGO)를 통해 평가되어야 합니다. 그 이유는 (그들과) 지역 주민들이 수집가를 유지해야 하기 때문입니다. 또한, 해당 지역의 토지 소유권도 개정되어야 합니다[ 5 ].

5.2. 운영 커뮤니티 참여 프로젝트

식수 또는 작물 재배를 위해 지역 사회에서 구현하기 위한 운영 LFC 프로젝트는 그림 4 에 설명되어 있으며 , 대륙별로 분류되고 실패 또는 지속 이유와 프로젝트 규모를 인식하기 위해 구현된 LFC 수를 동반합니다. 통합되지 않은 과학 연구를 위해 많은 추가 설치가 수행되었습니다. 현재 및 과거의 LFC 설치는 농촌 지역 사회에 적절한 양의 물을 공급할 수 있는 높은 잠재력을 보여 주지만 엔지니어링 부족과 지속 가능성을 손상시키는 높은 유지 관리 요구로 인해 심각한 문제를 보여줍니다. 기후 문제는 주로 혹독한 기상 조건으로 인한 파손을 의미합니다. 이는 열악한 유지 관리 및 불충분한 모니터링을 초래하는 복잡한 사회 문제와 결합하여 수집가의 성능 저하를 초래합니다[ 24 , 25 ].

5.2.1. 성공적인 프로젝트

과테말라 토이키아 지역에서는 42개의 LFC가 건조한 겨울철 동안 200명의 주민에게 일일 평균 5l/m 2 /일의 물을 공급합니다. FogQuest에 따르면 취임식은 2006년이었습니다. 수집가는 2020년에도 여전히 신중하게 유지관리되었습니다[ 26 ]. 이 건물은 지역사회의 자원봉사자들에 의해 건설되었으며 수집가들을 유지하기 위해 지역 마을 기금이 설립되었습니다[ 27 ]. 이 프로젝트의 수혜자는 대부분 여성과 소녀들로, 이전에는 계곡에서 물을 모으기 위해 몇 시간씩 걸어 다녔습니다[ 28 ]. 콜롬비아 안데스 산맥의 외딴 지역에서 소규모 프로젝트가 발견되었습니다. 메쉬 크기가 25m 2 인 한 수집기는 관개 목적으로 지역 학교에 담수를 공급합니다. 2008년 5월부터 2009년 2월까지의 연구 기간 동안 얻은 월간 평균 최고치는 ~2 l/m 2 /일이었습니다. 그 후 수집기가 건설되었으며, 강력한 참여 커뮤니티를 통해 추가 LFC에 대한 요청이 발생했습니다[ 29 ].

안개는 예측하기 어렵지만 기업과 조직이 혜택을 누릴 수 있는 경제적, 생태적 자원입니다. 더욱이, 지역 주민을 위한 물 공급이 기존 방법으로 전달되는 경우, 안개가 부족한 기간 동안 국내 물 공급은 영향을 받지 않으며 일반적으로 집수 장치를 관리하고 유지하는 데 직원의 강력한 참여가 이루어집니다. 시골 마을인 Falda Verde(칠레)에서는 11개의 LFC가 2001년부터 상업용 알로에 베라 관개용수를 공급했습니다 . 연간 평균 1.5l/m 2 /일은 LFC 설치 이전에 SFC에 의해 결정되었습니다[ 20 , 30 ]. 1999년 칠레 파드레 우르타도(Padre Hurtado)에 보호구역을 공급하기 위해 10명의 수집가가 배치되어 최대 5l/m 2 /day를 제공했습니다[ 31 , 32 ]. 네팔에서는 Pathivara 사원에 2001년부터 두 명의 수집가로부터 ~6.3 l/m 2 /day의 안개수(데이터 사양 없음)가 공급되었습니다[ 10 , 33 ].

5.2.2. 지난 프로젝트

1980년대의 연구 프로젝트는 마을이 내려다보이는 48m 2 의 LFC 100개를 사용하여 칠레의 작은 어촌인 Chunungo에서 전 세계 최초의 대규모 안개 수집 프로젝트로 이어졌습니다 . 수집가들은 10년 동안 평균 15,000l/일(~3l/m 2 /일)을 수확하여 마을로 직접 유입되어 300명의 주민에게 공급했습니다[ 5 , 10 ]. 이로 인해 경제적 자원이 눈에 띄게 증가했습니다[ 20 ]. 커뮤니티가 시스템을 관리했지만 행정 문제, 물 시스템을 압박하는 영구 인구 증가, 자금 부족, 적절하게 규제되지 않은 경우 LFC의 견고한 2D 구조와 메시를 파괴하는 폭풍, 기존 파이프라인에 대한 연결 요청 보류 , 시스템은 천천히 무시되었습니다. 프로젝트가 진행되는 동안 일정 기간 동안 포그 워터의 신뢰성이 낮아 트럭으로 배달되는 물을 보충하게 되었고, 이전에 그랬던 것처럼 곧 이 값비싼 자원으로 다시 전환했습니다[ 34 , 35 ]. 페루 메이자(Meija)의 로마스(Lomas) 생태계를 회복하기 위한 재조림 프로젝트는 20개의 LFC를 통해 1995년에 시작되었습니다. 그 물은 인근 농장에서도 사용되었습니다. 재조림 프로젝트가 2010년에 성공적으로 종료되어 연평균 7.5 l/m 2 /일을 수확한 후, 수집가를 적응시키기 위한 지역 사회의 참여 부족으로 인해 황폐화가 초래되었습니다[ 35 ]. 1995년부터 1997년까지 40명의 수집가가 활동했던 산악 지역인 파차마마 그란데(에콰도르)에서는 안개가 낀 날 최대 12l/m 2 /일의 상당한 양이 측정되었습니다. 대규모 프로젝트는 현지 NGO의 기술력 부족으로 인해 급속히 무산되었다[ 20 ].

극한의 날씨와 함께 불충분한 유지 관리 및 모니터링으로 인해 수집 장치가 빠르게 손상됩니다[ 10 ]. 에리트레아에서는 지역 주민들이 안전하지 않은 얕은 우물과 트럭으로 배달되는 물과 같은 다양한 불안정한 수자원에 의존하는 경우가 많습니다. 작은 시골 마을인 Nefasit과 Arborobue에서는 인근 지역 학교에 공급하기 위해 2007년 각 위치에 10개의 LFC가 설치되었습니다[ 36 ]. 타당성 조사에 따르면 연간 평균 1.4 l/m 2 /day(Nefasit) 및 3.1 l/m 2 /day(Arborobue)가 나타났습니다[ 37 ]. 두 프로젝트 모두 Arborobue의 강한 의지에도 불구하고 강풍으로 인해 중단되었으며, 그곳에서 RM은 여러 번 교체되었고 궁극적으로는 저항력이 있는 독일 ITV 메시로 교체되었습니다[ 37 ]. 극심한 풍속은 또한 Lepelfontein과 Soutpansberg(남아프리카)의 두 프로젝트에 영향을 미쳤으며, 이곳에서는 연간 평균 4 l/m 2 /day가 측정되었습니다[ 38 ]. Lepelfontein에서는 70m2 의 메쉬 표면을 가진 한 수집가가 1999년부터 2001년까지 지역 사회에 공급했고, Soutpansberg에서는 7명의 수집가가 2001년부터 2008년까지 지역 학교에 공급했습니다[ 10 , 39 ]. 더욱이 남아프리카의 수집가들은 기물 파손 행위로 고통받고 있습니다[ 40 ]. 서부 예멘의 작은 마을에서 3개월에 걸쳐 4.5 l/m 2 /day 의 긍정적인 결과를 얻은 후 2003년에 26개의 LFC가 개장되었습니다. 3년 후 강풍으로 인해 중간 규모 프로젝트가 파괴되었습니다[ 41 ].

5.3. 지속가능성 문제

프로젝트의 지속 가능성은 주로 수집가를 유지하고 모니터링하려는 수혜자의 의지에 달려 있습니다[ 10 ]. 기후 관련 문제가 발생할 때, 특히 이러한 대안에 대한 동기가 없거나 준비되지 않은 경우 지역사회의 헌신은 감소합니다. 경험에 따르면 개인 소유 및/또는 자체 구입 수집가는 일반적으로 커뮤니티가 서로 다른 가족으로 구성되어 있기 때문에 더 높은 수준의 헌신을 달성합니다[ 42 ]. 이는 직접적인 소유권이 없고 개인 차원의 책임감이 없어 갈등, 포기 또는 둘 다를 유발한다는 것을 의미합니다. 게다가 일부 지역 주민들은 경제적, 기술적 자원도 없고 여가 시간도 없는 반면, 수집가들은 매일 감시를 요구한다[ 25 ]. 따라서 지역 NGO의 역할은 지역 전통에 매우 민감한 공공 프로그램을 통해 안개 수확 메커니즘을 수혜자들에게 소개하고 알리는 데 중요합니다. 수집가가 지역사회에 넘겨진 후 NGO는 정기적인 평가를 지원하고 수행할 것으로 예상되지만 이는 종종 불규칙하거나 쓸모가 없습니다[ 43 ]. 대부분의 경우 보조금과 리더십을 위해서는 정부의 지원이 필요하다[ 14 ]. 그러나 다수의 안개가 낀 건조 지역은 안개 수집을 국가 수자원 정책으로 간주하지 않고 실행 계획을 제공하지 않기 때문에 정부 제한을 받기 쉽습니다[ 44 ].

6개의 대체 안개 수집가

대기 수분을 수확하기 위한 새로운 디자인이 등장하고 있습니다. 이는 안개가 많은 지역에 거주하는 지역 주민과 안개를 흡수하는 유기체에 대한 지식인 LFC를 기반으로 지속 가능한 지역 사회 기반 수집가로 융합됩니다. 이전의 실수로부터 배우고, 새로운 재료를 도입하고, 유지 관리가 적은 디자인을 개발함으로써 대체 메시 및 컬렉터 개념은 LFC 프로젝트에서 볼 수 있는 몇 가지 일반적인 문제를 해결합니다. 설명된 모든 수집기는 메시로 작동하며 수동적이며 외부 에너지를 필요로 하지 않고 단지 자연스러운 구동력을 사용합니다. 또한 공통적인 혁신적 디자인 측면은 모두 3차원 디자인을 사용하는 반면 LFC는 한 방향에서 물을 잡는 2차원 설정을 갖고 바람의 방향은 가변적일 수 있다는 것입니다[ 45 ].

6.1. 메쉬 연구

RM을 통과하는 전체 수분의 ~2%만이 수확되며 막힘, 물방울의 유착 및 바람에 다시 합류하는 물방울의 손실과 같은 요인으로 인해 효율성이 현저하게 감소합니다[ 46 ]. Rajaram 등 의 실험적 연구 . [ 47 ]은 코팅을 적용하고 기하학적 특징을 변경하여 RM을 개선할 수 있는 큰 잠재력을 보여줍니다. 테스트 결과 섬유 크기가 감소하고 필라멘트 거리가 증가하면 생산량이 최대 50% 더 많은 것으로 나타났습니다. 초소수성 코팅은 접촉각 항복을 50% 더 증가시켰습니다[ 47 ].

특정 기후 조건은 특정 메쉬 특성을 요구하며 RM의 경직성은 바람이 많이 부는 장소에는 적합하지 않은 것으로 입증되었습니다. 메쉬는 또한 높은 UV 방사선 하에서 손상되기 쉽습니다[ 25 ]. 일반적으로 RM의 수명은 5~10년(환경 훼손 제외)인 반면, 3차원 그물의 수명은 20년으로 추정됩니다. 그럼에도 불구하고 이러한 기술은 높은 비용이라는 상당한 단점을 갖고 있어 RM을 소외 계층 지역 사회에 더 적합하게 만듭니다[ 24 , 44 ]. 남아프리카에서는 강도를 위한 스테인레스 스틸과 효율적인 수확을 위한 폴리프로필렌 원사의 공동 편직 메쉬가 성공적으로 테스트되었습니다 [ 20 ]. Fernandezet al. [ 48 ]은 미국 캘리포니아의 4개 위치에서 풍속에 관한 세 가지 다른 메쉬 유형에 대한 비교 연구를 수행했습니다. 각 현장에는 4개의 SFC가 포함되어 있는데, 하나는 이중층 RM이 있고, 하나는 소수성 코팅된 스테인리스 스틸 메시(MIT-14)가 있고, 마지막으로 두 개는 각각 수평 및 수직으로 배치된 3D 스페이서 패브릭(FogHa-Tin)이 있습니다. 결과는 유사한 조건에서 메시가 일관되지 않은 결과를 보인 것으로 나타났습니다. 그럼에도 불구하고 RM에 비해 FogHa-Tin은 낮은 풍속에서 더 나은 결과를 얻었고 MIT-14는 모든 풍속에서 더 나은 결과를 얻었습니다 [ 48 ]. 이에 대해 Schunk et al. [ 49 ]는 높은 풍속에서 가장 내구성이 뛰어난 메시를 결정하기 위한 연구를 수행했습니다. 더 효율적인 유출과 물방울의 합체를 수반하는 3차원 스페이서 직물은 RM과 같은 직조 직물보다 더 나은 결과를 보여주었다[ 49 ]. Lummerich와 Tiedemann[ 50 ]은 Lima 외곽의 현장 조건에서 전통적인 SFC와 함께 3차원 메시를 갖춘 3개의 실물 크기 수집기에 대한 비교 분석을 수행했습니다. 두 개의 분리된 RM 층과 그 사이에 추가 스트립으로 구성된 'Eiffel'은 대부분의 물을 생산했습니다. '하프'와 '다이아고날 하프'는 금속 프레임에 수직과 대각선으로 각각 고무줄을 부착한 것으로 SFC와 비슷한 결과를 보였다[ 50 ]. Shi 등 이 디자인한 안개 하프 . [ 51 ], 수직 와이어 배열을 포함합니다. 짠 메쉬는 막히거나 물방울을 잃는 경향이 있는 반면, 금속 와이어는 효율적인 물 생산량과 효율적인 배수 수확을 3배 더 보장합니다[ 51 ]. Azeemet al. [ 17] 보고된 4~5개 층의 다층 하프 수집기는 최대 공기역학적 수집 효율을 달성했습니다. 이는 와이어에 도달할 수 있는 바람에 의해 전달되는 안개 방울의 교란되지 않는 흐름입니다. 최적화된 기하학적 조건에서 실험 연구에 따르면 이 하프는 SFC보다 4배 더 많이 수집하는 것으로 나타났습니다[ 17 ].

자연에서 볼 수 있는 주목할만한 물 수확 특징은 (초)소수성입니다 [ 52 ]. Azeem et al.은 와이어에 대한 친수성 및 소수성 코팅의 효과를 연구했습니다 . [ 21 ] 후자가 수직 하프의 수집률을 향상시켰다고 결론지었습니다. 미국 엔지니어 Bhushan은 선인장과 유사한 물 수확 원뿔이 있는 생체 모방 3차원 메쉬의 개념 설계를 개발했습니다. 금속 원뿔은 나미브 사막 딱정벌레의 등에서 영감을 받은 친수성 영역과 소수성 영역이 교대로 구성되어 있고 바람이 통과할 수 있는 구멍으로 구성된 금속 표면에 부착되어 있습니다[ 18 ]. 또 다른 뚜렷한 개념적 메시 디자인은 가시 선인장을 왁스칠 종이 키리가미(종이접기의 변형)로 만든 2차원 메시로 단순화한 것입니다. 예비 테스트에서는 더 낮은 비용으로 수집률이 하프보다 높은 것으로 나타났습니다[ 53 ].

6.2. 개념적 및 실험적

그림 5는 개념적이고 실험적인 안개 수집기를 시각화합니다.

6.2.1. 개념적

칠레 연구진이 개발한 MF-LFC는 전통적인 LFC에서 파생된 개념설계로 메쉬 표면을 분할해 파손, 유지보수성이 높은 등의 취약한 특성을 최적화한 것이다. 이러한 수정은 메쉬 섬유에 가해지는 응력을 감소시키고 궁극적으로 극한의 날씨에서 지속적인 조절의 필요성을 감소시킵니다. 또한 메쉬 표면을 줄이는 것은 파손 및 유지 관리 필요성을 줄이기 위해 설명된 모든 개념, 실험 및 운영 설계에서 사용되는 요소입니다. 컬렉터는 3차원 모듈식 깔때기(MF) 구조를 갖고 있으며, 개별 프레임이 우세한 바람을 향해 서로 마주보며 60도 각도로 배치된 반개방형 하모니카 모양을 하고 있습니다. 각 프레임은 이중 레이어 RM으로 채워지고 개별적으로지면에 고정됩니다. 이론적으로 수집 효율은 LFC의 26%에서 64%로 증가합니다[ 25 ].

Dropnet은 Höhler가 개발한 포물선 형태의 메쉬를 갖춘 텐트형 구조입니다. 6평방미터의 RM은 여러 방향으로 물방울을 잡는 알루미늄 프리벤드 폴 주위에 긴장되어 있습니다. 프로토타입은 일반적인 캠핑 텐트와 동일한 방식으로 제작되었으며 지상에서 90cm 높이에 고정되어 있습니다. 유리한 기후 조건에서 Dropnet은 하루 최대 2L를 수확할 것으로 예상됩니다. 플라스틱 기초를 통해 구조는 유연하고 강한 바람에 적응할 수 있습니다 [ 54 ]. 기존 네트워크나 트럭이 접근할 수 없는 재해 후 지역의 긴급 소규모 공급에 유익한 응용 프로그램이 될 수 있습니다.

Cloud Harvester는 Choiniere-Shields가 디자인한 특별한 모양을 가지고 있습니다. 한 쪽이 지면에서 몇 센티미터 위에 부착되어 부분을 수평으로 덮고 수직으로 이어지며 다른 쪽은 1.8m 높이에 부착된 스테인리스 스틸 메쉬는 이론적으로 시간당 약 1.1l/m 2 또는 45.6l 를 수확합니다. 최적의 기후 조건. 이 양의 10%만 고려하면 하나의 메시는 5l/h를 수확합니다. 수집 메쉬 아래에는 물방울을 포착하고 이슬이 형성될 수 있는 불투수층 역할을 하는 물 탱크 방향으로 기울어진 방수포가 배치됩니다. 구조의 단순성으로 인해 메쉬는 US$165.85의 총 비용, 생산 및 구성으로 저렴하게 만들어졌습니다. 개념적 설계는 LFC와 유사한 포집 효율을 가지며 더 낮은 비용과 더 작은 크기를 가질 것으로 예상된다 [ 55,56 ] . 가장 큰 장점은 콜렉터의 크기가 작아 대도시 지역에서 구현이 가능하다는 것입니다. LFC는 장기간 사용을 목적으로 하며 대량의 물을 수확할 수 있는 잠재력을 가지고 있지만 기술 도구 및 기술에 대한 기본 지식이 필요하지만 기성품이고 운반이 쉽고 가벼우며 서비스를 제공하는 Dropnet 및 Cloud Harvester 임시 공급에 더 가깝습니다.

칠레 연구자들이 포그 타워(Fog Tower)를 개발했습니다. 컬렉터는 LFC와 동일한 메시(RM)를 사용하지만 지역사회의 필요에 따라 10~20m의 3차원 타워로 설계됩니다. 이 구조물은 2008년에 물리적으로 지어졌으며 높이는 거의 10m, 직경은 2m이며 나선형 목재 프레임으로 구성되어 있습니다. RM은 구조물 내부의 여러 지점에 부착되어 강한 바람에 대한 저항력을 높입니다. 타워에는 견고한 기초가 필요하지만 구조가 가볍고 유연하여 접을 수 있고 운반이 쉽습니다. 포그 타워는 이론적으로 100~300l/일을 수확하는데, 이는 LFC와 유사하지만 지표면의 약 10배 적은 양을 차지합니다[ 57 ]. 그러나 수집 효율성 측면에서 이러한 개념 설계를 운영 LFC와 비교하는 것은 유사한 현장 조건에서 수집기를 테스트하고 검증하는 것이 필수적이기 때문에 오해의 소지가 있을 수 있습니다.

이탈리아 연구자들은 도시 안개 수집기를 설계했습니다. 물 수확 큐브는 평행한 양면이 메쉬로 채워져 수분을 차단합니다. 메쉬에 대한 사양은 제공되지 않았지만 연구원들은 추가 연구를 통해 이 프로토타입에 가장 효율적인 메쉬를 결정해야 한다고 선언합니다. 전면에는 안개가 낀 바람을 방향화하기 위한 MF가 배치되어 있으며, 풍향계는 가장 효율적인 풍속을 보장합니다. 밀집된 도시에서는 바람이 건물에 의해 차단되고 편향되므로 집열기는 안개가 낀 풍속이 더 큰 지붕과 거리 계곡 위쪽에 배치됩니다[ 58 ]. 이 개념은 밀집된 대도시 지역에 배치할 수 있는 도시 수집가에 대한 높은 수요 문제를 해결하는 것을 목표로 하는 유일한 예입니다.

6.2.2. 실험적

Airdrip은 경량 다면체 기체 시스템과 아타카마 사막의 모든 측면에서 안개를 포착하기 위해 다방향으로 배치된 물 생성 메쉬의 크기 비율이라는 혁신적인 구조적 특징을 갖춘 3차원 안개 메커니즘의 검증된 개념입니다. 디자이너들은 안개가 자욱한 건조한 기후에 사는 다양한 유기체를 관찰하고 소수성 재료와 바람이 부는 모든 방향에서 물을 모으는 것이 혁신적인 디자인에 중요하다는 결론을 내렸습니다. 프로토타입은 칠레 코킴보에서 제작되었으며 평면 프레임 LFC보다 약 6배 더 많은 수확량을 가질 수 있습니다. 수집가 한 명당 가격은 US$1850 [ 13 ]입니다.

프로토타입은 FogHive에서 파생되었으며 동일한 메시를 사용합니다. 소수성 폴리에틸렌 직물은 밝은 색상의 메쉬로 표면 온도를 낮추고 3차원 구조로 구성되어 강풍에 강합니다. FogHive는 동물과 사람의 그늘을 위한 파빌리온 역할을 하는 육각형 형태로 디자인되었습니다. 가장 우세한 안개 바람이 부는 방향의 세 면은 흰색 메쉬로 덮여 있고, 다른 면은 차광 메쉬로 덮여 있습니다. 가볍고 배치 가능한 메카누 구조는 알루미늄, 아연 도금 강철 또는 목재로 제작됩니다[ 59 , 60 ]. 두 가지 3차원 디자인 모두 기존의 평면 프레임과 크게 다르며 단독으로 고정된 컬렉터입니다. 그들의 적용은 물과 그늘을 모두 제공하는 지역사회 내에서 중심적인 만남의 장소가 될 수 있습니다.

6.3. 운영

다음에 설명된 프로젝트는 커뮤니티 내에서 진행 중이거나 진행되어 왔습니다. 비교는 표 1 에서 이루어진다 . 그러나 모든 수집기가 별도의 영역에서 구현되었으며 각 위치마다 서로 다른 (단점) 이점이 있다는 점을 전달하는 것이 중요합니다.

가정, 농업 및/또는 재조림 목적으로 지역 사회 내에서 구현되는 운영 안개 수집기 비교: LFC, CloudFisher, Niebla, Nieblagua 및 Warka Water

6.3.1. 클라우드 피셔

모로코 남서부에서는 Aït Baamrane의 베르베르 시골 지역사회를 위한 LFC가 강풍으로 인해 여러 차례 손상되었습니다. 마을의 언덕에 위치한 수집가들은 지역 주민들에 의해 매일 관리되었습니다[ 61 ]. 그들의 강력한 헌신은 비영리 단체인 Dar Si Hmad for Development, Education and Culture(DSH)와 Wasserstiftung의 독일 엔지니어들이 해결책을 찾도록 동기를 부여했습니다. 저항성이 더 높은 재료를 사용한 예비 실험[ 49 ]은 궁극적으로 2013년에 CloudFisher(CF)라는 새로운 디자인을 탄생시켰습니다[ 61 ]. 25km의 파이프라인이 31개의 CF와 수조를 내리막길의 15개 마을에 연결합니다. 식수는 주민 1,250명에게 매일 1인당 18L의 물을 공급하며, 학교와 농업에 공급되므로 전 세계적으로 가장 생산적이고 내구성이 뛰어난 안개 수집 프로젝트입니다. 안개가 낀 날에는 평균 22 l/m 2 /day가 수집됩니다[ 62 , 63 ]. 모로코, 탄자니아, 볼리비아에 운영 시설이 설치되어 있으며 추가 프로젝트가 진행 중입니다. 메커니즘 측면에서 볼 때, 40m 2 메시가 모서리의 프레임에만 연결되어 있는 LFC와 달리 대형 CF는 4개의 별도 프레임으로 구성되며 각 프레임의 메시 표면은 13.5m 2 강철 프레임에 연결됩니다. 여러 개의 번지 홀더를 통해 메시의 긴장을 촉진하여 지속적인 조절의 필요성을 줄이고 최대 120km/h의 바람에 대한 저항력을 제공합니다. 저항력과 효율성을 더욱 높이기 위해 메시 위에 플라스틱 그리드를 배치하여 표면이 부풀어 오르거나 물방울이 떨어지는 것을 방지합니다. 전체 순 표면은 54m 2 이고 각 프레임에는 지면에 고정된 지지대가 있습니다[ 63-65 ]. 구조가 2차원인 반면, 상호 연결된 나선으로 직조된 모노필라멘트가 있는 식품 안전 및 UV 방지 메쉬인 혁신적인 스페이서 패브릭은 3차원적으로 더욱 효율적인 수확을 제공합니다. 메쉬의 다양한 크기의 개구부로 인해 안개가 쉽게 통과하는 반면, 3차원 측면은 물방울의 유착 및 유출을 촉진하여 궁극적으로 물방울이 바람에 다시 합류할 가능성을 줄입니다. 하지만 가격은 RM에 비해 상당히 높다 [ 61 ].

대형(높이 6m) CF와 미니(높이 3m) CF 두 가지 모델이 있으며, 설치되는 토양에 따라 콘크리트 또는 못 고정이 가능합니다. 완전히 커밋되기 전에 CF 기술이 적용된 SFC 변형이 US$910[ 63–65 ]에 제공됩니다. 이 컬렉터의 가장 큰 단점은 하나의 CF에 대해 US$13,000라는 높은 초기 비용입니다. 그럼에도 불구하고, 모로코에서는 안개가 낀 날 하루 평균 1200l를 수확하는 반면, LFC는 하루 평균 200l만 수확하지만 비용은 약 13배 더 저렴합니다[ 61 ]. CF 1개 가격으로 이론적 수확량 1600ℓ로 LFC 8개를 구입할 수 있지만 8배의 공간이 필요합니다. CF의 예상되는 내구성과 낮은 유지 관리 필요성을 고려하면 시간이 지남에 따라 투자 가격이 낮아질 수 있습니다. 그러나 동일한 조건에서 두 수집기의 장기 테스트가 (아직) 수행되지 않았기 때문에 이는 순전히 이론적인 것입니다. 주민들과 NGO DSH의 헌신은 특히 성 불평등 문제에 영향을 미치면서 탁월한 사회적, 경제적 영향을 미쳤습니다. 다른 많은 외딴 지역 사회에서 볼 수 있듯이 여성과 소녀는 주요 물 수집가이며 인근 계곡이나 열린 우물로 걸어가는 데 몇 시간을 보내며 각각 다른 생산 활동을 추구하거나 학교에 가지 못하게 합니다. 따라서 그들은 물 수확 프로젝트의 주요 수혜자입니다. 모로코에서는 나이든 베르베르 여성들이 스마트폰을 사용하여 CF의 물 문제를 조사하고 보고하도록 배정되었습니다. 관리에 대한 책임을 부여하고 저학력 여성에게 정보 통신 기술을 사용하도록 교육함으로써 일부 전통적 및 제도적 차별 문제가 해결됩니다[ 66 , 67 ].

6.3.2. 니에블라과

Nieblagua는 카나리아 회사입니다. 아래 정보의 대부분은 창립자 Ricardo H. Gil Casanova와의 현장 방문 및 전문가 인터뷰와 웹사이트 www.nieblagua.com 을 통해 얻은 것입니다 . 안개 수집기 RAA(스페인어: Recogedores de Aguas Atmosféricas)는 폴리에틸렌 메쉬의 녹색 이중층으로 감싸인 3차원 금속 직육면체입니다. 안개 낭비를 최소화하는 나무 구조와 유사한 계층적으로 쌓인 직육면체 내에 추가 메시를 배치하여 생체 모방 기능이 구현됩니다. 두 번째는 녹색 메쉬로, 시각적으로 숲 지역과 합쳐지는 수단으로 사용됩니다. 튜브로 수조에 연결된 구조물 아래에 수집 트레이가 설치됩니다. 분명히 메쉬는 바람의 흐름을 방해합니다. 기둥이 세워진 상태에서 메시를 적용해 모서리를 구조물에 부착하기 어려운 LFC와 달리, RAA의 메쉬는 구조물이 아직 올라가지 않은 경우 간단한 스트립 케이블 지퍼 타이를 사용하여 쉽게 메쉬를 적용할 수 있다는 점이 혁신적인 특징입니다. 비용 효율성과 구조의 단순함도 두 사람이 1주일 만에 5~6개의 컬렉터를 구축하는 데 필요한 장점이기도 합니다. 다른 장점은 1.60m 2 의 작은 지표면적 과 케이블이 없다는 것입니다. 그러나 구조는 여전히 고정되어 있으므로 LFC와 같은 견고한 기초를 배치해야 합니다. 카나리아 제도에는 여러 설치물이 있습니다. 각 위치에는 5~6개의 개별 RAA 수집기가 나란히 배치되어 있으며 총 연간 11,000~25,000l를 수확합니다. 대부분의 프로젝트는 재조림을 목적으로 하며, 식수로 사용할 경우 여과 기능이 추가됩니다[ 68 ].

6.3.3. 니에블라

Niebla는 Tómas Garay Ávila가 디자인한 안개 수집기입니다. 칠레 북부의 황량한 지역인 칼데라에는 2017년 국가 기금으로 콜라 커뮤니티를 위해 4개의 수집가가 나란히 설치되었습니다. Garay에 따르면 전문가 인터뷰를 통해 커뮤니티와의 의사소통이 어려웠으며 신뢰를 얻고 안개 수확 메커니즘을 소개하는 데 수년을 보냈습니다. 이 구조는 장력을 받는 구성 요소의 건축 원리인 텐세그리티(Tensegrity)를 기반으로 합니다. 수집기는 운반 및 구성이 쉽고 유연한 구조로 인해 유지 관리가 최소화됩니다. 저비용 및 저기술을 유지하기 위해 구조용 PVC 튜브와 구조를 제자리에 유지하는 금속 케이블과 같은 찾기 쉬운 재료가 사용됩니다. 칠레 RM을 사용하는 대신 보다 견고한 모노필라멘트 메시가 사용됩니다. 총 27m2의 메쉬 는 긴장된 네트워크 내에서 여러 개의 홀더를 통해 느슨하게 부착되어 메쉬의 변동을 허용하고 혹독한 기상 조건에서 파손되는 경향을 줄입니다. 칼데라에서는 겨울 안개 시즌 동안 수집가 한 명이 하루 평균 20l를 축적합니다. 이 디자인의 독특한 특징은 변동하는 메쉬가 바람에 의해 날아가는 물방울을 차단하여 회수할 수 있다는 것입니다. 일반적으로 관찰되는 것처럼 합쳐진 물방울은 메쉬 아래로 굴러갈 수도 있습니다. 플라스틱 슬래브는 메쉬에 의해 차단된 모든 물방울을 잡아 수집기의 지표면보다 더 넓은 면적을 덮고 수조에 연결된 홈통으로 향합니다. 모든 방향에서 3m 크기의 비교적 작은 규모의 3차원 컬렉터는 미적인 전망을 가지고 있습니다. 수집가가 현재 한 사람에게 공급하기 위해 물을 수집하는 탐색 단계에 있는 동안 Garay는 농촌 가족을 위한 가정용 및 농업용 NIEBLA를 구축할 계획입니다. 국가 자금을 통해 수집가는 농촌 주민들이 매일 동물과 함께 이동하는 경로에서 아타카마 사막에서 그늘을 찾는 사람과 동물을 위한 피난처 역할을 할 수 있으며, 여행의 질을 향상시키고 식수를 제공할 수 있습니다. [ 69 , 70 ].

6.3.4. 와카 워터

Warka Water Tower는 건축가 Arturo Vittori가 RM과 유사한 폴리에스테르 메쉬를 사용하여 안개, 비, 이슬을 수확하기 위해 개발한 자립형 원통형 목재 수집기입니다. 프로토타입은 일일 평균 40~80리터를 얻기 위한 탐색 단계에 있습니다. 9m 높이 타워의 혁신은 조립식으로 제작되어 가벼우며(80kg), 신속하게 제작되고 도구에 대한 최소한의 지식을 통해 유지 관리가 쉽다는 사실에 있습니다. 또한 대나무 등 재활용이 가능한 지역 자재를 사용하고 지역 주민들이 운영하고 소유할 수 있도록 설계되었다[ 56 , 71 ]. 안개를 모으는 메커니즘과 타워의 재료는 나미브 딱정벌레의 등, 연꽃 잎, 거미줄, 선인장과 같은 유기체의 소수성 또는 친수성 표면 또는 둘 다에서 영감을 받았습니다. 12개의 설계 중 유망한 첫 번째와 두 번째 설계가 이미 에티오피아와 카메룬에서 각각 건설되었습니다. 수집가의 가격은 현지 자재, 인력 및 해당 지역의 원격지에 대한 의존도가 크기 때문에 알 수 없습니다[ 71 ]. 커뮤니티 모임 행사를 위해 구조물 주변에 대형 캐노피를 추가할 수 있습니다[ 72 ]. 이는 하나의 Warka 타워가 광범위한 파이프라인의 필요성을 제외하고 안개가 많은 지역에 거주하는 전체 커뮤니티 내에 배치하는 것을 목표로 하는 반면 LFC는 대부분 수혜 마을 근처의 오르막에 위치합니다.

7 토론 및 결론

물은 모든 생명체에게 꼭 필요한 자원입니다. 안개는 건조한 기후에서 자연 유기체가 생존하는 데 필수적이며, 연구자들은 이 진화 현상에 대해 많은 것을 배웠습니다. 상대적으로 새로운 안개 수확은 생체모방, 토착 지식, 사회학, 공학 및 과학을 혼합하는 흥미로운 학제간 기술을 통해 큰 잠재력을 가지고 있음이 분명합니다. 혁신적인 디자인과 저비용, 유지 관리가 적은 재료를 찾는 것은 지속 가능한 인도주의 기술을 향상시키는 지속적인 프로세스입니다. 그럼에도 불구하고 메시와 구조를 개선하기 위한 생체 영감 연구는 아직까지 충분히 탐구되지 않았으며 가능성이 매우 넓습니다. FogQuest 및 대체 안개 수집기의 여러 프로젝트는 각각의 장점과 약점을 설명하지만 대체 수자원으로서의 뛰어난 능력을 보여줍니다. 이러한 프로젝트의 대부분은 인구가 신뢰할 수 없는 값비싼 트럭으로 배달되는 물에 의존해야 하거나 우물이나 강 유역을 열기 위해 하루 종일 걸어야 하는 특정 농촌 안개가 짙은 지역에 배치하기 위한 것입니다. 게다가 오염된 물을 수집하면 수인성 질병과 기타 건강 문제가 많이 발생하므로 소외된 지역 사회에 안개 수집이 큰 이점을 제공합니다. 결론적으로 향후 연구를 위한 몇 가지 제안을 논의한다. 첫째, 커뮤니티 내에서 컬렉터를 구현하기 전에 다양한 요소를 고려해야 합니다. 지역 사회의 참여 부족과 구식 지역 NGO는 프로젝트 실패에 큰 영향을 미치므로 도움이 필요한 농촌 사람들과 소통하고 교육하기 위한 적합한 접근 방식을 개발하기 위한 집중적인 연구가 필요합니다. 둘째, 개념 설계가 더 유연하고 가벼운 재료로 제작되었지만 연구에 따르면 강한 바람에는 더 견고한 구조가 필요하므로 원격지에서 더 광범위한 실험이 필요합니다. 셋째, 기후변화와 도시화로 인해 건조한 대도시 지역의 물 부족 문제가 더욱 커지고 있습니다. 도시 인구의 1/3, 즉 9억 9천 3백만 명이 이미 물 스트레스를 경험하고 있습니다[ 73 ]. 따라서 특히 취약한 도시 지역에서는 도시 통합 안개 수집기에 대한 연구가 적극 권장됩니다. 마지막으로 빗물을 모으는 일은 비가 내리는 지역에 사는 사람들이 신분에 관계없이 흔히 하는 일이다. 안개가 낀 건조한 지역에 거주하는 전통적인 수자원 네트워크에 연결된 평균 또는 부유한 인구는 대기 중 습기로부터 이익을 얻지 못합니다. 이는 잃어버린 기회입니다. 대부분 물 부족을 문제로 생각하거나 느끼지 않기 때문입니다. 정부 규정의 도움을 받아 이 대안을 (보완적인) 수자원으로 일반 가정에 통합하면 지속 가능한 담수 공급과 궁극적으로 지속 가능한 미래를 창출하고 불우한 사람들의 의견을 긍정적으로 바꿀 수 있습니다.

자금 조달

이 연구는 벨기에 과학 연구 기금 FRS-FNRS의 지원을 받으며 보조금 번호는 40006597입니다.