В атмосфере Земли воды очень много — по некоторым данным, в несколько раз больше, чем во всех реках. Тем не менее почти 2 млрд человек лишены доступа к чистой питьевой воде. Конечно, к методике, которую использовали учёные для подсчётов, могут быть вопросы, но всё равно тех, у кого нет возможности каждый день пить чистую воду, очень много.
Есть технологии, которые позволяют очищать загрязнённую воду, так что можно пить фактически из лужи. Но всё равно это немного не то, что нужно. Сейчас появилась новая технология, которая позволяет получать не только воду хорошего качества, но и электричество буквально из воздуха. Технология получила название AWH (atmospheric water harvesting), а разработали её китайские учёные. Подробности — под катом.
Сначала о получении воды
Коллектив китайских учёных разработал материал, который получил название Core-Shell@CNF. Он состоит из гидрофильного ядра и гидрофобной оболочки. Ядро включает частицы LiCl, которые дают возможность поглощать воду, они действуют как сорбент. Оболочка же содержит частицы углерода и имеет водостойкое покрытие из полидиметилсилоксана. Структура была подсмотрена учёными у растений. Их листья имеют структуру, в которой кутикула защищает внутренние ткани от испарения воды и окисления кислородом воздуха. Устьица же листьев дают возможность тканям «дышать» с осуществлением свободного газообмена.
Система, созданная китайцами, позволяет абсорбировать воду в ночное время. Процесс обстоит следующим образом: воздух вместе с водяным паром проходит через искусственные «листья». Это происходит благодаря тому, что структура материала даёт возможность молекулам воды достигать частиц LiCl. По мере поступления всё большего количества воды гидратированные соли гидрофильного компонента превращаются в жидкую плёнку, а затем — в солёный раствор. Между тем внешняя гидрофобная оболочка предотвращает вытекание жидкой воды наружу. Эта комбинация помогает Core-Shell@CNF продолжать собирать воду.
Ну а днём, под воздействием солнечного света, температура внутри аэрогеля повышается с выделением водяного пара. Система возвращается в исходное состояние. Пористая структура открывает возможность свободного газообмена, так что пары воды улетучиваются в атмосферу.
Пока что технология не может использоваться в практических целях, но китайцы постепенно совершенствуют материал и его структуру, так что можно надеяться на то, что в течение нескольких месяцев авторы проекта его доработают. Уже сейчас в структуре аэрогеля меньше пор, а гидрофобные стенки гораздо толще, чем в ходе первых опытов. В итоге CB-PDMS@CNF выдерживает сильное внутреннее давление, демонстрируя хорошую гидрофобность и механическую прочность.
Плюс ко всему эта оболочка защищает внутренний гидрофильный слой от частиц пыли и других видов загрязнения. Так что вода, которая накапливается внутри, остаётся чистой. К сожалению, результаты работы пока скромные — килограмм аэрогеля способен на данный момент собрать всего 1 гр воды. Но всё же внутри структуры аккумулируется чистая питьевая вода. «Результаты масс-спектрометрии показали, что собранная вода соответствует требованиям к питьевой воде Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и Агентства по охране окружающей среды США (EPA)», — заявили учёные.
А теперь — и об электричестве
Здесь всё относительно просто. В ходе физического процесса, который называется десорбцией, выделяется тепло. Перегрев вредит всей системе, так что учёные решили от него избавиться и подали этот избыток в термоэлектрический модуль, способный генерировать электричество, используя для этого разницу температур.
В итоге вырабатывается электричество. С ним получше, чем с водой, в том плане, что электричества вырабатывается относительно много. Примерно 12 Вт на квадратный метр — около 10% того, что даёт обычная солнечная панель.
Как и говорилось выше, технология, разработанная учёными, пока что является научной, её нельзя пустить на коммерческие рельсы в ближайшее время. Но всё же и фотоэлементы не сразу стали тем, чем они являются сейчас, — на доработку для возможности коммерческого их использования ушло много времени. Китайцы планируют добиться значительного улучшения производительности аэрогеля в ближайшее время с тем, чтобы выход и воды, и электричества был коммерчески выгодным.
Если всё получится, технология может пригодиться многим — от исследователей, которые находятся в суровых условиях, без свободного доступа к питьевой воде и электричеству, до тех сотен млн человек, у которых всего этого нет вообще почти никогда.
Согласно данным ВОЗ, ситуация с питьевой водой постепенно улучшается. Но её нельзя назвать даже удовлетворительной. Дело в том, что доступа к базовым услугам в этой сфере лишён каждый десятый человек в мире (785 млн человек), и 144 млн вынуждены пить необработанную воду, забираемую из поверхностных водоёмов. По приведённым в докладе данным, доступа к этим услугам не имеют 8 из 10 жителей сельских районов, и в каждой четвёртой стране из числа стран, по которым есть соответствующие оценки с дифференциацией по уровню доходов населения, охват базовыми услугами наиболее богатых по меньшей мере вдвое превышает охват беднейших слоев населения.
Ну а технологии, подобные описанной в статье, равно как и разработки других учёных, о которых не раз писали на Хабре, помогают менять ситуацию к лучшему.
