Острая нехватка питьевой воды. Получение воды из воздуха — реальность?

Острая нехватка воды уже затрагивает многие регионы мира и, как ожидается, будет значительно усугубляться по мере роста населения и потепления климата. Но новая технология, разработанная учеными Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли, может стать новым способом получения чистой, пресной воды практически в любой точке Земли путем извлечения воды непосредственно из влаги в воздухе даже в самых засушливых местах.

Существуют технологии извлечения воды из очень влажного воздуха, такие как системы сбора тумана, которые были развернуты в ряде прибрежных районов. И есть очень дорогие способы удаления влаги из воздуха. Но новый метод является первым, который имеет потенциал для широкого использования практически в любом месте, независимо от уровня влажности, считают исследователи. Они разработали полностью пассивную систему, основанную на приборе из пенообразного материала, который впитывает влагу в свои поры и питается исключительно за счет солнечного тепла.

Результаты исследований приведены в журнале Science командой, включающей доцента Массачусетского технологического института Эвелин Ванг, аспиранта MIT Самира РАО, аспиранта Hyunho Kim, ученых-исследователей Сунгву Яна и Шанкара Нараянана и выпускника Ari Umans SM ’15. Среди соавторов — аспирант Евгений Капустин, ученый проекта Хироясу Фурукава и профессор химии Омар Ягхи.

Сбор тумана, который используется во многих странах, включая Чили и Марокко, требует очень влажного воздуха с относительной влажностью 100 процентов, объясняет Ванг, который является профессором Gail E. Kendall в MIT. Но такой насыщенный водой воздух распространен только в очень ограниченных регионах. Еще один способ получения воды в засушливых регионах называется заготовка росы, в которой поверхность охлаждается так, что вода будет конденсироваться, как это происходит на улице на холодном стекле жарким летним днем, но это “крайне энергоемко” — сохранять поверхность холодной. И метод может не работать при относительной влажности ниже 50 процентов. 

Новая система не имеет этих ограничений.

Для сухого воздуха, который является обычным явлением в засушливых регионах по всему миру, никакая предыдущая технология не обеспечивала практического способа получения воды. "Есть пустынные районы по всему миру с влажностью около 20 процентов, где питьевая вода является насущной потребностью, но на самом деле не было технологии, которая могла бы выполнить эту потребность”, — говорит Ван. Новая система, напротив, "полностью пассивна, и все, что вам нужно, это солнечный свет", без необходимости внешнего энергоснабжения и без движущихся частей.

На самом деле, система даже не требует солнечного света — все, что нужно, это какой-то источник тепла, это может быть даже дровяной огонь. "Есть много мест, где есть биомасса, доступная для сжигания, и где воды мало".

Ключ к новой системе лежит в пористом материале, это часть семьи смесей, известных как металл-органические рамки (MOFs). Эти смеси формируют вид губок с большими внутренними поверхностными областями. Если настроить точный химический состав MOF, эти поверхности можно сделать гидрофильными, или созданными для привлечения воды. 

Ученые обнаружили, что, когда этот материал размещен между верхней поверхностью, которая окрашена в черный цвет, чтобы поглощать солнечное тепло, и нижней поверхностью температуры наружного воздуха, влага выделяется из пор в виде пара и, естественно, капает как жидкость, которую собирают на нижней поверхности.

Тесты показали, что один килограмм (чуть более двух фунтов) материала может собирать около трех кварт пресной воды в день, что достаточно для снабжения питьевой водой одного человека, из очень сухого воздуха с влажностью всего 20 процентов. Такие системы требуют внимания всего несколько раз в день, чтобы собрать воду, открыть устройство, впустить свежий воздух, начать следующий цикл.

MOFs можно сделать путем совмещения различных металлов с любым из сотен органических соединений, производя безграничное разнообразие различных составов, которые можно настроить, чтобы соответствовать определенным потребностям.

Это изобретение окажет огромное научно-техническое воздействие на возобновляемые и устойчивые ресурсы, такие как вода и солнечная энергия.