Новое устройство для сбора воды из воздуха: дешево и эффективно
Так выглядит MOF под микросокопом
Нельзя выжать сок из камня, а вот добыть воду из пустынного неба вполне возможно, и все благодаря новому устройству, которое использует солнечный свет для всасывания водного пара из воздуха даже при низкой влажности. Устройство может производить до 3 литров воды в день и, по словам исследователей, в будущем технология станет еще эффективнее. Это значит, что в домах жителей засушливых районов в скором времени может появиться источник чистой воды на солнечной батарее, что поможет существенно повысить уровень жизни населения.
В атмосфере находится порядка 13 триллионов литров воды, что эквивалентно 10% от запаса всей пресной воды в озерах и реках нашей планеты. На протяжении многих лет исследователи разрабатывали технологии конденсации воды их воздуха, но большинство из них требует несоразмерно больших затрат электроэнергии, так что в странах с развивающейся экономикой они вряд ли окажутся востребованы большинством.
Чтобы найти универсальное решение, исследователи под руководством Омара Яги, химика из Калифорнийского университета в Беркли, обратились к семейству кристаллических порошков, называемых металлическими органическими каркасами или MOF. Яги разработал первые MOF-кристаллы, образующие объемные сети, около 20 лет назад. Основой для структуры этих сетей выступают атомы металлов, а липкие полимерные частицы соединяют ячейки вместе. Экспериментируя с органикой и неоганикой, химики могут создавать различные типы MOF и контролировать то, какие газы вступают с ними в реакцию и насколько прочно они удерживают те или иные вещества.
За последние два десятилетия химики синтезировали более 20 000 MOF, каждый из которых обладает уникальными свойствами захвата молекул. Например, Яги и другие недавно разработали MOF, который поглощает, а затем высвобождает метан, делая их своего рода бензобаками большой емкости для транспортных средств, работающих на природном газе.
В 2014 году Яги и его коллеги синтезировали MOF-860 на основе циркония, который превосходно поглощал воду даже в условиях низкой влажности. Это привело его к Эвелин Ванг, инженеру-механику Массачусетского технологического института в Кембридже, с которой он ранее работал над проектом использования MOF для кондиционирования воздуха в автомобиле.
Наглядная схема работы устройства
Система, разработанная Ван и ее учениками, состоит из килограмма пылевидных кристаллов MOF, спрессованных в тонкий лист пористой меди. Этот лист помещается между светопоглотителем и пластиной конденсатора внутри камеры. Ночью камеру открывают, позволяя окружающему воздуху диффундировать через пористый MOF, в процессе чего молекулы воды, чтобы прилипать к ее внутренним поверхностям, собираются в группы по восемь штук и образуют крошечные кубические капельки. Утром камера закрывается, и солнечный свет проникает через окно сверху устройства, нагревая MOF и освобождая воду, что превращает капли в пар и транспортирует его к более холодному конденсатору. Разность температур, а также высокая влажность внутри камеры заставляют пар конденсироваться в виде жидкой воды, которая капает в коллектор. Установка работает настолько хорошо, что при непрерывном запуске она вытягивает 2,8 литра воды из воздуха в день, сообщает сегодня команда Berkeley и MIT.
Стоит отметить, что установке еще есть куда расти. Во-первых, цирконий стоит 150 долларов за килограмм, что делает устройства для сбора воды слишком дорогими, чтобы его можно было массово производить и продавать за скромную сумму. Яги говорит, что его группа уже успешно спроектировала водосборный MOF, в котором цирконий заменен в 100 раз более дешевым алюминием. Это может сделать будущие водосборщики пригодными не только для утоления жажды людей в засушливых районах, но, возможно, даже для снабжения водой фермеров в пустыне.
