«Дюна» наближається: пристрій MIT отримує питну воду з розрідженого повітря пустелі

Інженери з Массачусетського технологічного інституту у США (MIT) створили пристрій для збору питної води з повітря у будь-якому місці, навіть в пустелі.

У світі наразі близько 2,2 млрд людей не мають доступу до безпечної питної води. У США понад 46 млн людей страждають через нестачу питної води, відсутність водогонів або поставки неякісної води. Для вирішення цієї проблеми дослідники з MIT взялись за вивчення можливостей отримання питної води з повітря, оскільки атмосфера містить трильйони літрів води у вигляді пари. Можливість ефективно вловлювати та конденсувати цю пару дозволить забезпечити чистою питною водою райони, у яких не має традиційних джерел.

У MIT створили інноваційний пристрій, який ефективно вловлює водяну пару і виробляє питну воду за різних умов вологості, зокрема, з надзвичайно посушливого пустельного повітря. Пристрій виглядає як чорна вертикальна панель розміром з вікно і складається з поглинаючого воду гідрогелю, розміщеного у скляній камері, вкритій охолоджуючим матеріалом.

Гідрогель у вигляді чорної пухирчастої плівки має невеликі куполоподібні форми, які набухають, поглинаючи водяну пару. Пара конденсується на скляній поверхні та тече по трубці у вигляді чистої питної води. На відміну від аналогічних пристроїв, що живляться від батарей або сонячних панелей, цей пристрій здатен працювати абсолютно автономно. 

Розробники перевірили його в умовах пустельного клімату Долини Смерті у Каліфорнії, де провели більше тижня. Навіть за умов надзвичайно низької вологості пристрій виробляв 160 мілілітрів питної води на день. 

За розрахунками дослідників з MIT, кілька вертикальних панелей, встановлених разом, могли б забезпечувати питною водою ціле домогосподарство навіть у посушливих пустельних умовах. При цьому виробництво води має збільшуватись у міру збільшення вологості.

Дослідники з MIT під керівництвом професорки Сюаньхе Чжао тривалий час досліджували гідрогелі — м’які пористі матеріали, що переважно складаються з води та мікроскопічного мережива взаємопов’язаних полімерних волокон. Науковці вивчали використання гідрогелей у біомедичних застосунках, включно з адгезивними покриттями для імплантатів, м’якими, гнучкими електродами і неінвазивними наклейками для біомедичної візуалізації. 

Серед найбільш ефективних пристроїв для збору питної води з повітря на даний час — розробки з металорганічних каркасів або надпористих матеріалів, які вловлюють водяну пару навіть з посушливого пустельного повітря. Новий пристрій для збору питної води уникає цілої низки проблем, що виникають під час використання аналогічних конструкцій.

У чому перевага нового пристрою MIT

Аналогічні проєкти передбачали конструкції з мікро та нано-пористих гідрогелів, однак вода, отримана за допомогою них, залишалась солоною і необхідна була додаткова фільтрація. Сіль є природним абсорбентом, і дослідники вбудовують солі — зазвичай хлорид літію — в гідрогель, щоб збільшити поглинання води матеріалом. Однак недоліком є ​​те, що ця сіль може витікати разом із водою, коли вона зрештою збирається.

Новий пристрій інженерів з MIT значно обмежує витік солі. До того ж у гідрогель було додано гліцерин, який природним чином стабілізує сіль, утримуючи її всередині гідрогелю. Сам гідрогель має мікроструктуру, в якій відсутні нанорозмірні пори, що ще більше перешкоджає виходу солі з матеріалу. Рівень солі в зібраній воді був нижчим за стандартний поріг для безпечної питної води і значно нижчим за рівні, вироблені багатьма іншими конструкціями на основі гідрогелю.

До того ж науковці вдосконалили саму форму гідрогелю. Замість збереження його у формі плаского листа, вони формували його у вигляді візерунка з невеликих куполоподібних структур, що нагадували пухирчасту плівку, збільшуючи площу поверхні гідрогелю та, відповідно, обсяг водяної пари, який він може поглинути.

Дослідники виготовили гідрогель площею півквадрата і уклали матеріал у скляну камеру, схожу на вікно. Вони покрили зовнішню частину камери спеціальною полімерною плівкою, яка допомагає охолоджувати скло та стимулює випаровування та конденсацію водяної пари в гідрогелі на склі. Вони встановили просту систему трубок для збирання води, що стікає по склу.

У листопаді 2023 року дослідники вирушили у Долину Смерті, де встановили свій пристрій. Упродовж тижня вони проводили вимірювання, поки по ночах гідрогель висмоктував пару з повітря. Вдень, за допомогою сонця, зібрана вода випаровувалась із гідрогелю та конденсувалася на склі. 

Протягом тижня пристрій працював в умовах вологості від 21 до 88%, виробляючи від 57 до 161,5 мілілітрів питної води на день. Навіть у найпосушливіших умовах пристрій збирав більше води, ніж інші пасивні та деякі активно працюючі конструкції.

Результати дослідження опубліковані у журналі Nature

Джерело: SciTechDaily