Сбор тумана может показаться причудливой работой.
В конце концов, установка гигантских сетей вдоль склонов холмов и вершин гор для сбора воды из воздуха звучит скорее как глупость, чем как наука. Тем не менее, эта практика стала важным путем к чистой воде для многих, кто живет в засушливом и полузасушливом климате по всему миру.
Пассивный, долговечный и эффективный метод сбора воды, сбор тумана заключается в улавливании микроскопических капелек воды, взвешенных на ветру, из которых состоит туман. Сбор тумана возможен - и получил распространение за последние несколько десятилетий - в районах Африки, Южной Америки, Азии, Ближнего Востока и даже Калифорнии. Как показывают недавние заголовки об обратном отсчете Южной Африки до «нулевого дня», или дня, когда водопроводные краны, как ожидается, пересохнут, нехватка воды продолжает оставаться растущей проблемой во всем мире. По оценкам ведущих исследователей, две трети населения мира уже живут в условиях острой нехватки воды по крайней мере один месяц в году.
Сбор тумана может помочь смягчить эту нехватку, и теперь междисциплинарная исследовательская группа из Технологического института Вирджинии улучшила традиционную конструкцию противотуманных сетей, чтобы увеличить их способность сбора в три раза.
Опубликованное в ACS Applied Materials & Interfaces и частично финансируемое Виргинским технологическим институтом творчества, искусства и технологий, исследование группы демонстрирует, как вертикальный ряд параллельных проводов может изменить прогноз для сборщиков тумана. В конструкции, которую исследователи назвали «туманной арфой», эти вертикальные провода сбрасывают крошечные капли воды быстрее и эффективнее, чем традиционная сетка, используемая в противотуманных сетях.
«С точки зрения дизайна, я всегда находил несколько волшебным тот факт, что вы можете использовать что-то похожее на сетчатую дверную сетку, чтобы превращать туман в питьевую воду», - сказал Брук Кеннеди, доцент кафедры промышленного дизайна. в Колледже архитектуры и урбанистики и один из соавторов исследования. «Но эти параллельные проволочные массивы на самом деле являются особым ингредиентом туманной арфы».
Сети от тумана используются с 1980-х годов и могут давать чистую воду в любой области, где часто возникают движущиеся туманы. По мере того как ветер перемещает микроскопические капельки воды тумана через сети, некоторые из них застревают в подвешенных проводах сети. Эти капли собираются и сливаются до тех пор, пока не наберут достаточно веса, чтобы спуститься по сетям и оседать в желобах для сбора внизу. В некоторых из крупнейших проектов по сбору тумана эти сети собирают в среднем 6 000 литров воды каждый день.
Тем не менее, традиционная сетчатая конструкция противотуманных сетей долгое время создавала проблему двойного ограничения для ученых и инженеров. Если отверстия в сетке слишком большие, капли воды проходят сквозь них, не зацепляясь за провода сетки. Если сетка слишком мелкая, то сети захватывают больше воды, но капли воды забивают сетку, не стекая в желоб, и ветер больше не проходит через сети.
Таким образом, противотуманные сети нацелены на золотую середину, зону Златовласки сбора тумана: сетка не слишком большая и не слишком маленькая. Этот компромисс означает, что сети могут избежать засорения, но они не собирают столько воды, сколько могли бы.
«Это проблема эффективности и мотивации для нашего исследования», - сказал Джонатан Борейко, доцент кафедры биомедицинской инженерии и механики Инженерного колледжа. В качестве соавтора исследования Борейко консультировал по теории и физическим аспектам конструкции туманной арфы.
«Этот скрытый режим уменьшения размеров проводов, но без их засорения, - это то, чего мы пытались добиться. Это было бы лучшим из обоих миров», - сказал он.
Поскольку капли воды, попавшие в противотуманную сетку, движутся вниз под действием силы тяжести, Борейко предположил, что удаление горизонтальных проволок сетки уменьшит засорение. Между тем, Кеннеди, специализирующийся на биомиметическом дизайне, нашел вдохновение для туманной арфы в природе.
«В среднем, прибрежные секвойи полагаются на капельки тумана примерно на одну треть потребляемой ими воды», - сказал Кеннеди. «Эти секвойи, которые растут вдоль побережья Калифорнии, эволюционировали в течение длительного периода времени, чтобы использовать преимущества этого туманного климата. Их иголки, как и у традиционной сосны, организованы в виде линейного массива. поперечные сетки."
Марк Андерсон, соавтор исследования и в то время студент бакалавриата факультета машиностроения, построил несколько масштабных моделей туманной арфы с проводами разного размера. Вэйвэй Ши, аспирант программы инженерной механики, а также ведущий автор исследования, протестировал небольшие прототипы в климатической камере и разработал теоретическую модель эксперимента.
«Мы обнаружили, что чем меньше провода, тем эффективнее сбор воды», - сказал Борейко. «Эти вертикальные массивы собирали все больше и больше тумана, но засорения так и не произошло».
Команда уже построила более крупный прототип туманной арфы - вертикальный массив из 700 проводов размером 3 на 3 фута - под руководством Джоша Талкоффа, соавтора исследования и тогда еще студента бакалавриата. в программе промышленного дизайна. Они планируют испытать прототип на соседней ферме Кентленд.
Исследователи надеются, что благодаря уникальному сочетанию науки и дизайна туманная арфа однажды окажет большое влияние там, где она больше всего нужна, - на дне ведра с водой.