Представьте себе будущее, где в каждом доме стоит устройство, добывающее воду для питья и хозяйственных нужд прямо из воздуха. Причём — даже в сухом или пустынном климате, используя только энергию солнечного света. Такое будущее, возможно, уже ближе, чем нам кажется. На этой неделе разработчики представили устройство, способное собирать несколько литров воды в сутки, даже если относительная влажность воздуха держится на отметке 20% (а в засушливых регионах это бывает нередко).
Устройство для сбора воды, использующее только энергию Солнца, как сообщается в журнале Science, было сконструирован в Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology). Для конденсации воды в нём используется решётка из металлоорганического материала (metal-organic framework, MOF), разработанная в Калифорнийском университете в Беркли (University of California, Berkeley).
Прототип устройства способен за 12 часов собрать 2,8 литра воды из воздуха с относительной влажностью 20—30%. Для этого в устройстве должно находиться около 1 кг MOF. Испытания нового устройства, проведённые на крыше, показали, что оно может работать в реальной жизни.
«Одна из концепций будущего предполагает, что мы будем получать воду не из сети водоснабжения. В жилищах появятся устройства, работающие на солнечной энергии — именно они будут добывать воду для нужд домашнего хозяйства, — рассказывает один из руководителей работы Омар Ягни (Omar Yaghi), профессор химии Калифорнийского университета и директор-учредитель Института мировой науки в Беркли (Berkeley Global Science Institute). — Для меня такое будущее стало возможным благодаря нашему эксперименту. Я называю это «индивидуализированной водой».
Ягни разработал решётки из металлорганического материала более 20 лет назад, объединив такие металлы как магний или алюминий с органическими молекулами. При этом получилась твёрдая пористая структура, идеально подходящая для хранения газов и жидкостей. С тех пор по всему миру были разработаны более 20 тыс. различных MOF. Некоторые предназначены для хранения газов, например, водорода или метана. При этом наполненная металлорганическими решётками цистерна может вместить в три раза больше газа, чем такого же объёма цистерна, но полая внутри, предназначенная для хранения газа под давлением. Другие MOF используются для улавливания CO2 из печных газов и ускорения реакций адсорбированных химикатов или нефтепродуктов на перерабатывающих производствах.
В 2014 г. Ягни и его коллеги синтезировали MOF из циркония и адипиновой кислоты. Эта решётка хорошо улавливала водяной пар, поэтому разработчики предложили Эвелин Ванг (Evelyn Wang), инженеру-проектировщику из Массачусетского технологического института, объединить усилия и создать систему сбора воды.
Созданная Ванг и её студентами система содержит около килограмма MOF, расположенного между поглотителем солнечного излучения и конденсатором. Вся эта конструкция находится в корпусе, пропускающем воздух. Когда атмосферный воздух проходит через пористую металлорганическую решётку, большая часть молекул водяного пара прикрепляется к внутренним поверхностям. Рентгенографическое исследование продемонстрировало, что молекулы водяного пара часто объединяются в группы по 8, формируя «кубики». Солнечный свет проникает через окошко, нагревает MOF и заставляет пар двигаться в сторону конденсатора. Там пар превращается в воду и стекает в ёмкость для хранения.
«Новая технология не требует наличия большого количества влаги в атмосферном воздухе, к тому же она эффективнее существующих наработок с точки зрения расхода энергии», — поясняет Ванг.
Прототип доказал принципиальную возможность использования разработанной технологии, но он нуждается в дальнейшем улучшении. Например, имеющаяся решётка поглощает воду в количестве приблизительно 20% от собственной массы, в то время как другие MOF способны удерживать 40% и более. Материал также может быть модифицирован таким образом, чтобы эффективнее работать в условиях более низкой или более высокой влажности. В настоящее время Ягни и его коллеги занимаются доработкой решётки, а Ванг продолжает работать над улучшением системы сбора воды.
