Навіть у сухому повітрі є вода. Ми її не бачимо, але вона постійно перебуває навколо нас у вигляді пари. Німецькі дослідники придумали, як цю вологу зібрати й перетворити на звичайну воду.
Команда вчених із Кільського університету представила матеріал CAU-10-H. Він працює майже як губка, тільки на рівні молекул. Матеріал вбирає водяну пару з повітря, а після нагрівання віддає її.
Найцікавіше, що технологія працює навіть за відносної вологості від 18%. Тобто не лише біля моря чи в тропіках, а й у досить сухих регіонах.
За підрахунками дослідників, один кілограм такого матеріалу може давати до 1,8 літра води на добу. Поки це лабораторні розрахунки, але вчені вже виготовили партію вагою близько 30 кілограмів. Це важливий крок від маленького зразка до реального пристрою.
Як матеріал збирає воду з повітря
CAU-10-H належить до так званих металоорганічних каркасів, або MOF. Назва складна, але принцип досить простий.
Усередині матеріалу є величезна кількість дуже дрібних пор. Вони затримують молекули води, які містяться в повітрі. Зовні матеріал може виглядати як звичайний порошок або гранули, але його внутрішня структура нагадує справжній лабіринт.
Спочатку через матеріал пропускають повітря. Він поступово накопичує вологу. Потім його нагрівають приблизно до 70 градусів. Після цього вода виходить у вигляді пари, охолоджується та перетворюється на рідину.
Процес виглядає так:
- матеріал поглинає вологу;
- його нагрівають;
- водяна пара виходить назовні;
- пара охолоджується;
- вода збирається в окремій місткості.
Після цього матеріал можна використовувати знову. Він не зникає і не розчиняється у воді, а просто проходить новий цикл.
Чому це не те саме, що звичайний осушувач
Побутовий осушувач теж збирає воду з повітря. Але працює він інакше. Пристрій охолоджує повітря, а волога осідає на холодній поверхні у вигляді крапель.
У теплому та вологому кліматі такий спосіб працює непогано. А от у сухому повітрі все складніше. Щоб отримати хоча б трохи води, доводиться витрачати багато електроенергії.
Матеріал CAU-10-H не охолоджує все повітря навколо. Він просто захоплює молекули води у свої пори. Саме тому технологія може бути корисною там, де звичайні генератори працюють слабко.
Під час досліджень один грам матеріалу міг накопичити до 0,17 грама води. Тобто 100 грамів CAU-10-H здатні поглинути близько 17 грамів вологи за один цикл.
Це не відро води за кілька хвилин. Але якщо збільшити кількість матеріалу та повторювати цикл кілька разів на день, результат стає значно помітнішим.
Звідки взялася цифра 1,8 літра
Вчені підрахували, що один кілограм композитного матеріалу може давати до 1,8 літра води на добу. Такий результат можливий завдяки кільком циклам поглинання та вивільнення вологи.
Наприклад, десять кілограмів матеріалу теоретично можуть виробляти до 18 літрів води. Сто кілограмів — до 180 літрів.
Але тут є важливий нюанс. Це не означає, що достатньо просто покласти матеріал у кімнаті й чекати. Для роботи потрібна ціла система. Вона має подавати повітря, нагрівати матеріал, охолоджувати пару та збирати воду.
На продуктивність також впливають температура, вологість, швидкість повітря, конструкція пристрою та кількість тепла, яке втрачається під час роботи.
Тому поки що CAU-10-H — не готовий домашній генератор води. Це основа, на якій такий пристрій можуть створити.
Чи можна пити воду, отриману з повітря
На перший погляд усе просто: матеріал зібрав пару, вона перетворилася на воду — можна пити. Насправді готова система потребує додаткового очищення.
Повітря містить пил, бактерії, різні частинки та хімічні домішки. Вони не обов’язково потраплять у воду, але виробники повинні передбачити фільтри та захист від забруднення.
Також важливо, у якій місткості зберігатиметься вода і з якими деталями вона контактуватиме. Навіть чиста вода може забруднитися вже всередині пристрою.
Тому майбутні атмосферні генератори води повинні мати:
- фільтри для очищення повітря;
- безпечний резервуар;
- систему знезараження;
- контроль якості води;
- захист від бактерій і пилу.
Після конденсації вода майже не містить мінералів. Через це вона може мати незвичний смак. У готових установках її, ймовірно, додатково мінералізуватимуть.
Вчені вже виготовили 30 кілограмів матеріалу
Багато винаходів добре працюють лише в лабораторії. Там вчені використовують кілька грамів речовини й отримують красиві результати. Але коли потрібно виробити десятки або сотні кілограмів, починаються труднощі.
Саме тому партія CAU-10-H вагою близько 30 кілограмів має значення. Раніше матеріал виготовляли у значно менших кількостях. Тепер дослідники показали, що виробництво можна збільшувати.
Йдеться ще не про завод і не про серійний випуск. Це пілотний масштаб. Він потрібен, щоб перевірити, чи однаково добре працюватиме велика партія матеріалу.
Вчені також оцінили можливу собівартість CAU-10-H. Вона може становити приблизно 12–14 доларів за кілограм.
Це ціна самого матеріалу, а не готового пристрою. Генератор також потребуватиме корпусу, вентиляторів, нагрівача, конденсатора, фільтрів, датчиків і місткості для води.
Тому поки рано рахувати, скільки коштуватиме один літр води з повітря. Спершу потрібно створити повноцінну установку та перевірити її в реальних умовах.
Навіщо матеріал нагрівати до 70 градусів
Щоб віддати накопичену воду, матеріал потрібно нагріти приблизно до 70 градусів. Для побуту це досить висока температура. Але для промислових процесів вона відносно невелика.
Деякі схожі матеріали потребують набагато сильнішого нагрівання. Через це витрати енергії помітно зростають.
CAU-10-H можна нагрівати електрикою, сонячним теплом або енергією, яка вже утворюється на підприємствах.
Наприклад, пекарні, дата-центри та заводи постійно виділяють багато тепла. Зазвичай частина цієї енергії просто йде в повітря. Її можна було б використати для нагрівання матеріалу та вивільнення води.
Це не означає, що пристрій працюватиме зовсім без електроенергії. Вентилятори, датчики й система охолодження все одно потребуватимуть живлення. Але частину витрат можна буде скоротити.
Матеріал також може допомагати з охолодженням
CAU-10-H цікавий не лише тим, що збирає воду з повітря. Вчені також досліджують його для систем охолодження.
Такі системи можуть працювати без звичайного компресора, який є у кондиціонерах. Матеріал поглинає та віддає водяну пару, а разом із нею переносить тепло.
Під час випробувань CAU-10-H показав до трьох разів вищу холодопродуктивність, ніж силікагель. Це знайомий багатьом матеріал, який кладуть у маленькі пакетики всередині коробок із взуттям, технікою чи сумками.
Особливо корисною така технологія може бути для дата-центрів. Сервери постійно нагріваються, тому їх потрібно безперервно охолоджувати. Водночас вони самі виробляють багато тепла.
У майбутньому частину цього тепла можна буде використати для роботи матеріалу. Тобто одна система допомагатиме охолоджувати обладнання, а інша — збирати воду з повітря.
Такі рішення також можуть з’явитися на харчових виробництвах, у пекарнях, великих офісних центрах і промислових приміщеннях.
Де можуть встановлювати генератори води з повітря
Насамперед технологія розрахована на посушливі регіони. Там води мало, а прокладати довгі трубопроводи дорого й складно.
Дослідники згадують Середземноморський регіон. Улітку там часто панує спека, а кількість опадів поступово скорочується. При цьому в атмосфері все одно залишається волога, яку можна збирати.
Генератори на основі CAU-10-H можуть використовувати у віддалених будинках, невеликих селах, туристичних базах, медичних пунктах і дослідницьких станціях.
Ще один варіант — надзвичайні ситуації. Після повені, землетрусу, пожежі або пошкодження водогону люди можуть залишитися без чистої води. Мобільна установка в такому випадку стане додатковим джерелом.
Технологія може бути корисною і для сільського господарства. Наприклад, для розсади, теплиць або невеликих систем крапельного поливу.
Але поливати великі поля водою з повітря поки нереально. Для цього потрібні величезні обсяги. Новий матеріал більше підходить для локальних потреб.
Чому матеріал не замінить звичайне водопостачання
Ідея отримувати воду просто з повітря звучить майже фантастично. Але повністю замінити водогони, свердловини чи опріснення ця технологія не зможе.
Головне обмеження — кількість вологи в атмосфері. Чим сухіше повітря, тим більше його потрібно пропустити через матеріал.
Для цього потрібні потужні вентилятори. Потім матеріал треба нагріти, пару охолодити, а воду зібрати. Кожен етап потребує енергії.
Також ученим доведеться перевірити, як довго працюватиме CAU-10-H. Матеріал має витримувати сотні або навіть тисячі циклів без втрати властивостей.
На нього можуть впливати пил, солі, бруд, морське повітря та промислові викиди. Якщо матеріал швидко забиватиметься або руйнуватиметься, його доведеться часто замінювати.
Перед масовим використанням потрібно дізнатися, скільки електроенергії витрачається на один літр води, як часто потрібне обслуговування і скільки років може працювати установка.
Для великих міст традиційне водопостачання все ще буде дешевшим і продуктивнішим. А от для віддалених районів, окремих будівель або аварійних ситуацій новий матеріал може стати корисним доповненням.
Коли такі пристрої можуть з’явитися у продажу
Виробництво 30 кілограмів матеріалу ще не означає, що атмосферні генератори скоро з’являться в магазинах.
Наступний крок — створення великого прототипу. Його потрібно випробувати не лише в лабораторії, а й просто неба.
У пустельних районах установка має працювати під час спеки, пилових бур і різких перепадів температур. Біля моря потрібно перевірити вплив солоного повітря. На підприємствах — промислових домішок.
Ймовірно, перші системи будуть великими й використовуватимуться на заводах, у дата-центрах або в посушливих регіонах. Там простіше встановити обладнання, знайти джерело тепла та контролювати якість води.
Компактні домашні пристрої можуть з’явитися пізніше. Для цього технологію потрібно зробити дешевшою, меншою та простішою в обслуговуванні.
Поки що CAU-10-H показав, що збирати воду можна навіть із досить сухого повітря. Матеріал працює за вологості від 18%, віддає воду після нагрівання приблизно до 70 градусів і готовий до повторного використання.
Тепер дослідникам потрібно перевірити, як він поводитиметься не один день, а кілька років. Саме від цього залежить, чи стане вода з повітря реальною частиною нашого життя.
