Исследователи Массачусетского технологического института нашли способ использовать механические колебания звуковых волн для высвобождения молекул воды из носителя. Это открытие значительно ускоряет процесс получения питьевой воды из разреженного воздуха.
От специальных красок до губчатых аэрогелей и материалов с самой большой известной площадью поверхности — ученые по всему миру прилагают все усилия, чтобы найти способы извлечения воды из окружающего нас воздуха.
Даже в очень сухом климате воздух, которым мы дышим, содержит воду, и поиск способа ее сбора мог бы стать источником чистой питьевой воды для миллионов людей, даже если у них нет доступа к источникам пресной воды или муниципальному водоснабжению.
Проблема многих современных концепций сбора воды заключается в том, что как только материал поглощает воду из воздуха, необходимо подать тепло, чтобы испарить воду из этого материала и снова сконденсировать ее для использования в качестве питьевой воды.
«Любой материал, который хорошо впитывает воду, не желает с ней расставаться», — говорит Севетлана Борискина из Массачусетского технологического института. «Поэтому приходится тратить массу энергии и драгоценных часов, чтобы извлечь воду из материала».
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) пытались исключить этот энергоёмкий процесс, как мы видели ранее в этом году, с помощью их пассивного водосборника, который собирает воду в материал, похожий на пузырчатую плёнку, и использует солнечное тепло для её испарения. Хотя это устраняет необходимость в источнике энергии для системы, для полного завершения процесса и получения чистой питьевой воды может потребоваться некоторое время.
Теперь Боринска — главный научный сотрудник кафедры машиностроения Массачусетского технологического института — и новая группа исследователей придумали новый — и гораздо более быстрый — способ высвобождения скопившейся в воздухе воды: звуковые волны.
Исследователи разработали совершенно новый ультразвуковой привод в форме плоской пластины. Затем они поместили в его центр ранее протестированный и насыщенный водой материал для сбора воды. Затем они включили привод и направили на материал ультразвуковые волны, частота которых превышает 20 килогерц (20 000 колебаний в секунду).
В результате вся вода, содержащаяся в материале, была вытряхнута в виде капель всего за две-семь минут. Конструкция пластины позволяла этим каплям проходить через сопла и стекать в зону сбора. На следующей визуализации вы можете увидеть, как всё работает.
Высокоэффективная технология сбора атмосферной воды
«С помощью ультразвука мы можем точно разрушать слабые связи между молекулами воды и местами их расположения», — говорит первый автор исследования Икра Ифтехар Шуво. «Это как будто вода танцует на волнах, и это целенаправленное возмущение создаёт импульс, который высвобождает молекулы воды, и мы видим, как они распадаются на капли».
По словам исследователей, устройство смогло высвобождать собранную воду со скоростью, которая в 45 раз эффективнее, чем при использовании солнечного тепла. Несмотря на то, что для работы ультразвукового привода требуется совсем немного энергии, команда утверждает, что электричество может вырабатываться при помощи подключённого солнечного элемента.
«Преимущество этого устройства в том, что оно полностью дополняет и может быть дополнением практически к любому сорбирующему материалу», — говорит Борискина. «Как только материал пропитается, привод, работающий от солнечной батареи, кратковременно включится, чтобы вытряхнуть воду. После этого материал будет готов к сбору новой воды, повторяя несколько циклов в течение дня».
Борсинка утверждает, что после дальнейшей разработки новая система может быть развернута в качестве практичной домашней системы, которая сможет использовать быстропоглощающий материал и более крупный привод, размером примерно с окно, для извлечения бесплатной питьевой воды из воздуха.
«Всё дело в том, сколько воды вы можете извлечь за день», — заключает она. «Благодаря ультразвуку мы можем быстро извлекать воду и повторять цикл снова и снова. В день это может дать довольно много».
Результаты прорыва группы были опубликованы в журнале Nature Communications .
