«Дюна» приближается: устройство MIT получает питьевую воду из разреженного воздуха пустыни

Инженеры из Массачусетского технологического института в США (MIT) создали устройство для сбора питьевой воды из воздуха в любом месте, даже в пустыне.

В мире сейчас около 2,2 млрд людей не имеют доступа к безопасной питьевой воде. В США более 46 млн человек страдают из-за недостатка питьевой воды, отсутствия водопроводов или поставки некачественной воды. Для решения этой проблемы исследователи из MIT взялись за изучение возможностей получения питьевой воды из воздуха, поскольку атмосфера содержит триллионы литров воды в виде пара. Возможность эффективно улавливать и конденсировать этот пар позволит обеспечить чистой питьевой водой районы, в которых нет традиционных источников.

В MIT создали инновационное устройство, эффективно улавливающее водяной пар и производящее питьевую воду при различных условиях влажности, в частности, из чрезвычайно засушливого пустынного воздуха. Устройство выглядит как черная вертикальная панель размером с окно и состоит из поглощающего воду гидрогеля, размещенного в стеклянной камере, покрытой охлаждающим материалом.

Гидрогель в виде черной пузырчатой пленки имеет небольшие куполообразные формы, которые набухают, поглощая водяной пар. Пар конденсируется на стеклянной поверхности и течет по трубке в виде чистой питьевой воды. В отличие от аналогичных устройств, питающихся от батарей или солнечных панелей, это устройство способно работать абсолютно автономно. 

Разработчики проверили его в условиях пустынного климата Долины Смерти в Калифорнии, где провели больше недели. Даже в условиях чрезвычайно низкой влажности устройство производило 160 миллилитров питьевой воды в день. 

По расчетам исследователей из MIT, несколько вертикальных панелей, установленных вместе, могли бы обеспечивать питьевой водой целое домохозяйство даже в засушливых пустынных условиях. При этом производство воды должно увеличиваться по мере увеличения влажности.

Исследователи из MIT под руководством профессора Сюаньхэ Чжао длительное время исследовали гидрогели — мягкие пористые материалы, преимущественно состоящие из воды и микроскопического кружева взаимосвязанных полимерных волокон. Ученые изучали использование гидрогелей в биомедицинских приложениях, включая адгезивные покрытия для имплантатов, мягкие, гибкие электроды и неинвазивные наклейки для биомедицинской визуализации. 

Среди наиболее эффективных устройств для сбора питьевой воды из воздуха в настоящее время — разработки из металлорганических каркасов или сверхпористых материалов, которые улавливают водяной пар даже из засушливого пустынного воздуха. Новое устройство для сбора питьевой воды избегает целого ряда проблем, возникающих при использовании аналогичных конструкций.

В чем преимущество нового устройства MIT

Аналогичные проекты предусматривали конструкции из микро и нано-пористых гидрогелей, однако вода, полученная с помощью них, оставалась соленой и необходима была дополнительная фильтрация. Соль является естественным абсорбентом, и исследователи встраивают соли — обычно хлорид лития — в гидрогель, чтобы увеличить поглощение воды материалом. Однако недостатком является то, что эта соль может вытекать вместе с водой, когда она в конечном итоге собирается.

Новое устройство инженеров из MIT значительно ограничивает утечку соли. К тому же в гидрогель был добавлен глицерин, который естественным образом стабилизирует соль, удерживая ее внутри гидрогеля. Сам гидрогель имеет микроструктуру, в которой отсутствуют наноразмерные поры, что еще больше препятствует выходу соли из материала. Уровень соли в собранной воде был ниже стандартного порога для безопасной питьевой воды и значительно ниже уровней, производимых многими другими конструкциями на основе гидрогеля.

К тому же ученые усовершенствовали саму форму гидрогеля. Вместо сохранения его в форме плоского листа, они формировали его в виде узора из небольших куполообразных структур, напоминающих пузырчатую пленку, увеличивая площадь поверхности гидрогеля и, соответственно, объем водяного пара, который он может поглотить.

Исследователи изготовили гидрогель площадью полквадрата и уложили материал в стеклянную камеру, похожую на окно. Они покрыли внешнюю часть камеры специальной полимерной пленкой, которая помогает охлаждать стекло и стимулирует испарение и конденсацию водяного пара в гидрогеле на стекле. Они установили простую систему трубок для сбора воды, стекающей по стеклу.

В ноябре 2023 года исследователи отправились в Долину Смерти, где установили свое устройство. В течение недели они проводили измерения, пока по ночам гидрогель высасывал пар из воздуха. Днем, с помощью солнца, собранная вода испарялась из гидрогеля и конденсировалась на стекле. 

В течение недели устройство работало в условиях влажности от 21 до 88%, производя от 57 до 161,5 миллилитров питьевой воды в день. Даже в самых засушливых условиях устройство собирало больше воды, чем другие пассивные и некоторые активно работающие конструкции.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature

Источник: SciTechDaily