Первое в своем роде устройство добывает воду из воздуха

Инженеры из Юты, финансируемые армией, разработали устройство, которое собирает воду из атмосферы даже в засушливых районах. Исследователи из Университета Юты представили компактное устройство, которое эффективно добывает воду из воздуха с помощью топлива, что обещает облегчить глобальную нехватку воды.

Атмосфера Земли содержит огромное количество воды, достаточное для того, чтобы 800 раз заполнить Большое соленое озеро штата Юта. Извлечение части этой влаги считается перспективным решением для обеспечения чистой питьевой водой миллиардов людей по всему миру, которые испытывают ее хроническую нехватку.

Существующие технологии сбора атмосферной воды (AWH) имеют множество недостатков, связанных с размерами, стоимостью и эффективностью. Однако новое исследование позволило понять, что может повысить эффективность и сделать мир еще на шаг ближе к использованию воздуха в качестве источника воды в засушливых районах.

В исследовании представлено первое в своем роде компактное устройство AWH с быстрым циклом работы, работающее на топливе. По словам Самира Рао, старшего автора исследования, опубликованного в журнале Cell Reports Physical Science, и доцента кафедры машиностроения, этот двухступенчатый прототип основан на использовании адсорбирующих материалов, которые вытягивают молекулы воды из невлажного воздуха, а затем с помощью тепла переводят эти молекулы в жидкую форму.

«Гигроскопичные материалы по своей природе обладают сродством к воде. Они впитывают воду, где бы ни находились. Один из лучших примеров — материал внутри подгузников, — говорит Рао. — Мы работаем с особым типом гигроскопичного материала, который называется металл-органический каркас».

Рао сравнил металл-органические каркасы с блоками Lego, которые можно переставлять, чтобы построить всевозможные структуры. В данном случае они расположены так, чтобы создать молекулу, идеально подходящую для разделения газов.

«Они могут сделать ее специфической для адсорбции водяного пара из воздуха и ничего другого. Они очень избирательны», — говорит Рао. В прототипе, разработанном совместно с аспирантом Натаном Ортисом, ведущим автором исследования, используется фумарат алюминия, который был сформован в виде панелей, собирающих воду при прохождении через них воздуха.

«Молекулы воды сами задерживаются на поверхности нашего материала, и это обратимый процесс. И вместо того чтобы впитываться в сам материал, она оседает на стенах, — говорит Ортис. — Особенность этих абсорбирующих материалов в том, что у них просто огромная площадь внутренней поверхности. Там так много мест, где могут застрять молекулы воды».

По словам Рао, всего один грамм этого материала занимает площадь, равную площади двух футбольных полей. Таким образом, всего лишь небольшое количество материала может захватить большое количество воды.

«Вся эта площадь поверхности находится в молекулярном масштабе, — говорит Рао. — И это потрясающе для нас, потому что мы хотим удерживать водяной пар на этой поверхности в порах данного материала».

Финансирование исследования было получено от Солдатского центра DEVCOM — программы Министерства обороны по содействию передаче технологий, способствующих модернизации армии. Интерес армии к проекту обусловлен необходимостью поддерживать гидратацию солдат во время операций в отдаленных районах с небольшим количеством источников воды.

«Мы специально рассматривали этот проект для оборонных целей, чтобы у солдат было небольшое компактное устройство для получения воды и не нужно было таскать с собой большую флягу, наполненную водой, — сказал Рао. — Можно будет буквально производить воду по требованию».

Рао и Ортис подали заявку на предварительный патент на технологию, которая решает и невоенные задачи. По их словам, когда они разрабатывали систему, они также думали о более широкой проблеме воды. «Это не только проблема обороны, но и гражданская проблема, — говорит Рао. — Мы думаем о потреблении питьевой воды домохозяйством в день. Это примерно 15–20 литров в день».

В этом испытании прототип достиг своей цели — производить пять литров воды в день на килограмм адсорбирующего материала. По словам Ортиса, за три дня работы в полевых условиях это устройство превзошло бы по производительности воду в упаковке.

На втором этапе работы устройства вода осаждается в жидкость путем нагрева с помощью стандартной армейской походной печки. Это происходит благодаря экзотермическому характеру процесса сбора воды.

«По мере сбора воды она выделяет небольшие частицы тепла. А чтобы обратить этот процесс вспять, мы добавляем тепло, — говорит Ортис. — Мы просто помещаем пламя, чтобы поднять температуру. А потом, когда мы повышаем температуру, мы быстро высвобождаем молекулы воды. Как только мы получаем действительно влажный воздушный поток, это значительно облегчает конденсацию при температуре окружающей среды».