Новая солнечная установка способна извлекать воду даже из сухого воздуха пустыни
Экспериментальная установка на крыше MIT. MOF кристаллы расположены под прозрачной крышкой, прозрачность которой позволяет солнцу прогревать их и высвобождать накопленную воду. Желтый и красный конденсатор, покрытый каплями воды, расположен на дне установки
У вас не получится выжать воду из камня, но из пустынного неба теперь сможете, благодаря новому устройству, которое использует солнечный свет, чтобы извлекать водяные пары из воздуха даже при чрезвычайно низкой влажности. Устройство может производить около 3 литров воды в день на каждый килограмм губкообразного поглотителя, который оно содержит, и как утверждают исследователи — будущие версии будут еще лучше. Это означает, что дома в самых сухих частях света могут вскоре иметь питаемый солнцем прибор, способный производить всю воду, в которой они нуждаются, принося пользу миллиардам людей.
13 триллионов литров воды, растворенных в атмосфере, эквивалентны 10% всей пресной воды в озерах и реках нашей планеты. Уже давно разработаны различные способы захвата атмосферной влаги, например из тумана, также используются всевозможные энергоемкие осушители — конденсаторы. Но оба подхода требуют либо очень влажного воздуха, либо слишком много электроэнергии.
MOF-пористые кристаллы на подложке
Чтобы найти универсальное решение, исследователи под руководством Омара Яхи (Omar Yaghi), химика из Калифорнийского университета в Беркли (Berkeley), обратились к семейству кристаллических порошков, называемых металл-органическими каркасами (metal organic frameworks) или MOF. Яхи получил первые MOF-пористые кристаллы, которые образуют непрерывные трехмерные сети — более 20 лет назад. Сети образуют структуры в стиле детских собираек-конструкторов из атомов металла, которые действуют как хабы и палочковидные органические соединения, которые соединяют хабы вместе. Выбирая различные металлы и органику, химики могут изменять свойства каждого MOF, контролируя газы, связывающиеся с ним, а так же прочность самого кристалла.
Омар Яхи, на фоне моделей металл-органических пористых кристаллических структур, способных собирать воду из атмосферного воздуха. Открытие Яхи уходит корнями в середину девяностых годов прошлого века.
За последние 2 десятилетия химики синтезировали более 20 000 MOF, каждый из которых обладает уникальными свойствами захвата молекулы. Например, Яхи и другие исследователи недавно разработали MOF, которые поглощают и после выпускают метан, являясь своеобразными газовыми резервуарами с возможностью использования в транспортных средствах, работающих на природном газе.
В 2014 году Яхи и его коллеги синтезировали MOF, который обнаружил отличные показатели поглощения воды даже в условиях низкой влажности. Это привело его к тому, чтобы связаться с инженером-механиком Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже Эвелин Ванг, с кем он ранее работал над проектом по использованию MOF в автомобильном кондиционировании воздуха. После синтеза нового MOF на основе циркония, получившего название MOF-801, Яхи встретилcя с Ванг в MIT с предложением: «Эвелин, нам необходимо разработать новое устройство для сбора воды». И она дала свое неизменное согласие.
Схематическое изображение MOF. Красные и черные точки в модели являются металло-органическими структурами, удерживаемые черными связками — строительные блоки, соединенные Омаром Яхи в кристаллические пористые губки при помощи ретикулярного химического формирования. Желтые шары отображают поры, способные удерживать молекулы воды.
Система, созданная Ванг и ее студентами, содержит килограмм, размером с пылинку, кристаллов MOF, размещенных на тонкой, пористой медной пластине. Эта пластина помещается между солнечным поглотителем и конденсатором влаги и расположена внутри камеры. Ночью камера открывается, позволяя окружающему воздуху проникать в поры MOF, в свою очередь молекулы воды прилипают к внутренним структурам кристалла. Вода, таким образом, собирается своеобразными молекулярными группами по восемь штук, образуя кубические капли. Утром камера закрывается, солнечный свет проникая через верхнее окно устройства, нагревает MOF пластину, которая высвобождает капельки воды в сторону охладителя-конденсатора путем простого испарения.
Разность температур, а также высокая влажность внутри камеры приводят к конденсации пара в воду, которая попадает в коллектор. Установка работает настолько хорошо, что вытягивает 2,8 литра воды из воздуха в день на каждый используемый килограмм MOF, сообщает команда Berkeley и MIT сегодня издательству Science.
По материалам зарубежных научно-популярных интернет издательств
news.mit.edu newscenter.lbl.gov phys.org
