Представьте себе будущее, в котором в каждом доме есть устройство, которое извлекает из воздуха всю воду, в которой нуждается домашнее хозяйство, даже в сухом или пустынном климате, используя только энергию солнца.
Это будущее может быть не за горами, на этой неделе будет продемонстрирован сборщик воды, который использует только окружающий солнечный свет, чтобы ежедневно извлекать литры воды из воздуха в условиях такой низкой влажности, как 20 процентов, что является обычным уровнем в засушливых районах.
Комбайн на солнечной энергии, о котором сообщается в журнале Science, был сконструирован в Массачусетском технологическом институте с использованием специального материала - металлоорганического каркаса, или MOF, - произведенного в Калифорнийском университете в Беркли.
«Это крупный прорыв в давней проблеме сбора воды из воздуха при низкой влажности», - сказал Омар Яги, один из двух старших авторов статьи, который занимает кресло Джеймса и Нилтье Треттер в химии в Калифорнийском университете в Беркли и является научным сотрудником Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. «Сейчас нет другого способа сделать это, кроме как использовать дополнительную энергию. Ваш электрический осушитель воздуха «производит» очень дорогую воду».
Прототип в условиях влажности 20-30 процентов смог извлечь из воздуха 2,8 литра (3 кварт) воды за 12 часов, используя один килограмм (2,2 фунта) MOF. Испытания на крыше в Массачусетском технологическом институте подтвердили, что устройство работает в реальных условиях.
«Одно из видений на будущее - иметь автономную воду, когда у вас дома есть устройство, работающее от окружающей солнечной энергии, для доставки воды, которая удовлетворяет потребности домашнего хозяйства», - сказал Яги, который является директором-основателем. из Глобального научного института Беркли, содиректора Института нанотехнологий Kavli Energy и Калифорнийского исследовательского альянса BASF. «Для меня это стало возможным благодаря этому эксперименту. Я называю это персонализированной водой».
Yaghi изобрел металлоорганические каркасы более 20 лет назад, объединив такие металлы, как магний или алюминий, с органическими молекулами в игрушечной конструкции для создания жестких пористых структур, идеально подходящих для хранения газов и жидкостей. С тех пор исследователи по всему миру создали более 20 000 различных MOF. Некоторые содержат химические вещества, такие как водород или метан: химическая компания BASF тестирует один из MOF Яги в грузовиках, работающих на природном газе, поскольку заполненные MOF баки вмещают в три раза больше метана, чем можно закачать под давлением в пустой бак.
Другие MOF способны улавливать углекислый газ из дымовых газов, катализировать реакцию адсорбированных химических веществ или разделять нефтехимические продукты на перерабатывающих предприятиях.
В 2014 году Яги и его команда из Калифорнийского университета в Беркли синтезировали MOF - комбинацию металлического циркония и адипиновой кислоты, - которая связывает водяной пар, и предложил Эвелин Ван, инженеру-механику из Массачусетского технологического института, объединить усилия для превратить MOF в водосборную систему.
Система, разработанная Ван и ее учениками, состояла из более чем двух фунтов кристаллов MOF размером с пыль, сжатых между солнечным поглотителем и пластиной конденсатора, помещенных в камеру, открытую для воздуха. Когда окружающий воздух диффундирует через пористый MOF, молекулы воды предпочтительно прикрепляются к внутренним поверхностям. Рентгеноструктурные исследования показали, что молекулы водяного пара часто собираются группами по восемь штук, образуя кубы.
Солнечный свет, попадая через окно, нагревает MOF и гонит связанную воду к конденсатору, имеющему температуру наружного воздуха. Пар конденсируется в виде жидкой воды и капает в коллектор.
«Эта работа предлагает новый способ сбора воды из воздуха, который не требует высокой относительной влажности и намного более энергоэффективен, чем другие существующие технологии», - сказал Ван.
Этот харвестер, подтверждающий работоспособность концепции, оставляет много возможностей для усовершенствования, сказал Яги. Текущий MOF может поглощать только 20 процентов своего веса в воде, но другие материалы MOF могут поглощать 40 процентов и более. Материал также можно настроить, чтобы он был более эффективным при более высоких или низких уровнях влажности.
Мы не просто сделали пассивное устройство, которое собирает воду; теперь мы заложили как экспериментальные, так и теоретические основы, чтобы мы могли проверять другие MOF, которых можно было бы сделать тысячи, чтобы найти еще лучшие материалов», - сказал он. «Существует большой потенциал для увеличения количества собираемой воды. Сейчас это просто вопрос дальнейшего проектирования».
Яги и его команда работают над улучшением своих MOF, а Ван продолжает улучшать систему сбора урожая, чтобы производить больше воды.
«Чтобы вода текла постоянно, вы можете разработать систему, которая поглощает влагу ночью и выделяет ее днем», - сказал он. «Или спроектировать солнечный коллектор, чтобы он позволял делать это гораздо быстрее, куда поступает больше воздуха. Мы хотели продемонстрировать, что если вы отрезаны где-то в пустыне, вы можете выжить благодаря этому устройству. Человеку нужно около банка воды из-под кока-колы в день. С этой системой можно собрать меньше чем за час."