Люди могут обойтись в самом простом убежище, могут собрать еду из самых скромных ингредиентов. Но мы не можем выжить без чистой воды. А в местах с дефицитом воды - например, в пустынях мира - для снабжения людей водой требуются инженерные и ирригационные подвиги, которые могут быть громоздкими и дорогими.
Пара новых исследований ученых из Университета штата Огайо предлагает возможное решение, вдохновленное природой.
«Мы подумали: «Как мы можем собирать воду из окружающего нас воздуха?», - сказал Бхарат Бхушан, выдающийся ученый из Огайо и профессор машиностроения Говарда Д. Винбиглера в штате Огайо. «Итак, мы обратились к существам в природе, которые уже делают это: кактусы, жуки, пустынные травы».
Их выводы были опубликованы 24 декабря в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society. Работы написаны в соавторстве с доктором философии штата Огайо. студент Дев Гурера и инженер-исследователь из штата Огайо Донг Сонг.
Работа Бхушана сосредоточена на поиске вдохновленных природой решений социальных проблем. В этом случае его исследовательская группа обратилась к пустыне, чтобы найти жизнь, которая выживает, несмотря на ограниченный доступ к воде.
Кактусы, жуки и пустынные травы собирают воду, сконденсировавшуюся из ночного тумана, собирая капли из воздуха и фильтруя их в корни или резервуары, обеспечивая достаточное количество влаги, чтобы выжить.
Капли воды собираются на водоотталкивающих бугорках, не содержащих воска, на спине жука, а затем скользят к пасти жука по плоской поверхности между бугорками. Пустынные травы собирают воду на своих кончиках, а затем направляют воду к своей корневой системе через каналы в каждой травинке. Кактус собирает воду своими колючими кончиками, прежде чем направить капли по коническим шипам к основанию растения.
Команда Бхушана изучила каждое из этих живых существ и поняла, что может построить аналогичную, хотя и более крупную систему, позволяющую людям извлекать воду из ночного тумана или конденсата.
Они начали изучать, как различные поверхности могут собирать воду, и какие поверхности могут быть наиболее эффективными. Используя 3D-принтеры, они построили поверхности с выпуклостями и зазубринами, а затем создали закрытые туманные среды с помощью коммерческого увлажнителя, чтобы увидеть, какая система собрала больше всего воды.
Они узнали, что конические формы собирают больше воды, чем цилиндрические - «что имело смысл, учитывая то, что мы знаем о кактусах», - сказал Бхушан. По его словам, это происходит из-за физического явления, называемого градиентом давления Лапласа. Вода собирается на кончике конуса, затем стекает по склону конуса на дно, где ждет резервуар.
Поверхности с канавками перемещают воду быстрее, чем поверхности без канавок - «что кажется очевидным в ретроспективе, учитывая то, что мы знаем о траве», - сказал Бхушан. В экспериментах исследовательской группы рифленые поверхности собирали примерно в два раза больше воды, чем поверхности без канавок.
Материалы, из которых были сделаны конусы, тоже имели значение. Гидрофильные поверхности - те, которые позволяли воде собираться в капли, а не впитывать ее - собирали больше всего воды.
«Поверхностный материал жука неоднороден, с гидрофильными пятнами, окруженными гидрофобными областями, что позволяет воде легче поступать в рот жука», - объяснил Бхушан.
Исследовательская группа также экспериментировала со структурой, состоящей из нескольких конусов, и выяснила, что больше воды накапливается, когда капли воды сливаются между конусами, расстояние между которыми составляет один или два миллиметра. По словам Бхушана, команда продолжает эти эксперименты.
Работа до сих пор выполнялась только на лабораторном уровне, но Бхушан предполагает масштабирование работы со структурами в пустыне, которые могли бы собирать воду из тумана или конденсата. Эта вода, по его мнению, могла бы дополнять воду из общественных систем или колодцев, либо для каждого дома, либо для всей общины.
У этой идеи есть прецедент: в различных районах мира, включая пустыню Атакама в Чили, большие сети собирают воду из тумана и собирают ее в резервуары для фермеров и других лиц. Эти сети могут быть не самым эффективным способом сбора воды из воздуха, считает Бхушан.
«Водоснабжение является критически важным вопросом, особенно для людей в самых засушливых частях мира», - сказал Бхушан. «Используя биотехнологии, мы можем помочь решить проблему обеспечения чистой водой людей во всем мире максимально эффективным способом».