Учёные предложили получать питьевую воду из воздуха с помощью ветра

Исследователи разработали систему получения пресной воды из атмосферного воздуха, в которой ветер используется не только как источник энергии, но и непосредственно для нагрева материала, накопившего влагу.

Технология основана на гигроскопичных полимерных губках — пористых материалах, способных поглощать водяной пар из окружающего воздуха. После насыщения губку необходимо нагреть, чтобы высвободить собранную влагу и получить жидкую воду.

В большинстве подобных установок для этого применяют солнечное тепло или электрические нагреватели. Авторы новой работы предложили использовать нагрев вихревыми токами, преобразующий кинетическую энергию вращения в тепло.

Описание технологии опубликовано в журнале Advanced Functional Materials. В испытаниях система производила до 9,9 литра воды в сутки на каждый килограмм поглощающего материала при меняющихся температуре и влажности окружающего воздуха.

Как работает установка

Сначала воздух проходит через пористую полимерную губку. Материал притягивает и удерживает молекулы воды даже тогда, когда в воздухе нет видимого тумана или конденсата.

После насыщения губки ветровой привод запускает вращение металлического элемента. Возникающие в нём вихревые электрические токи нагревают конструкцию, а вместе с ней — поглощающий материал.

Под действием тепла вода отделяется от полимера в виде пара. Затем пар охлаждается и конденсируется в отдельной ёмкости. Высушенная губка может снова поглощать влагу, после чего цикл повторяется.

Принципиальное отличие разработки состоит в том, что механическую энергию ветра не требуется сначала преобразовывать в электричество, передавать по проводам и только затем использовать для нагрева.

По данным авторов, эффективность прямого преобразования кинетической энергии ветра в тепло превысила 90%. Сокращение числа промежуточных стадий потенциально снижает энергетические потери и упрощает устройство автономной установки.

Почему обычного конденсатора недостаточно

Получать воду из воздуха можно и посредством охлаждения — по принципу кондиционера или осушителя. Однако такой способ требует значительного количества электроэнергии, особенно при невысокой влажности.

Сорбционные технологии работают иначе. Материал сначала накапливает влагу из большого объёма воздуха, а затем выделяет её при нагревании. Это позволяет собирать воду в условиях, где обычное охлаждение воздуха может оказаться слишком энергозатратным.

Основными характеристиками такой системы являются способность материала поглощать воду, скорость насыщения, температура высвобождения влаги и количество энергии, необходимое для восстановления сорбента.

Разработчики использовали губку с взаимосвязанными крупными порами. Такая структура облегчает прохождение воздуха через материал и ускоряет перенос водяного пара внутрь сорбента.

Где технологию предлагают применять

Авторы рассматривают систему как вариант автономного водоснабжения для удалённых территорий, где нет стабильной электросети, но имеются достаточные ветровые ресурсы.

В первую очередь речь идёт о прибрежных и островных населённых пунктах. В таких районах в воздухе обычно содержится достаточно влаги, а ветер может одновременно обеспечивать движение воздушного потока и энергию для восстановления сорбента.

Технология также может использоваться на удалённых объектах, небольших фермах, метеостанциях и в районах временного размещения людей. Однако опубликованные результаты пока не означают готовности устройства к массовому бытовому применению.

Производительность в 9,9 литра рассчитана на килограмм материала и получена в экспериментальной системе. Для обеспечения водой одного дома потребуется учитывать реальную влажность, скорость ветра, продолжительность рабочих циклов, размеры оборудования и потери при конденсации.

Вода из воздуха не возникает «из ничего»

Количество воды, которое можно получить, напрямую зависит от влажности атмосферы. При одинаковой температуре влажный прибрежный воздух содержит значительно больше водяного пара, чем воздух засушливого внутреннего района.

Поэтому технология может оказаться эффективной не во всех территориях с дефицитом воды. В пустынных регионах ветер может быть сильным, но содержание влаги в воздухе — недостаточным для высокой производительности.

Кроме того, для использования воды в питьевых целях потребуется контролировать её качество. Сама вода конденсируется из пара, однако в установку могут попадать пыль, микроорганизмы и вещества, выделяемые материалами системы. Необходимость фильтрации и минерализации будет зависеть от конструкции и условий эксплуатации.

Остаются также вопросы долговечности полимерной губки, устойчивости к загрязнению, стоимости её производства и количества циклов поглощения и высвобождения воды без ухудшения характеристик.

Не замена водопроводу, а локальный источник

Сбор атмосферной влаги вряд ли сможет заменить водохранилища, водопроводы или опреснительные станции в крупных городах. Концентрация воды в воздухе слишком мала, а объёмы коммунального потребления слишком велики.

Наиболее реалистичная сфера применения — децентрализованное получение сравнительно небольших объёмов воды там, где доставка воды дорога, а строительство капитальной инфраструктуры затруднено.

Преимущество предложенного решения заключается в возможности работать без подключения к электросети и без топлива. При этом экологический эффект всей системы можно будет оценить только после анализа полного жизненного цикла — производства полимеров и оборудования, продолжительности эксплуатации, обслуживания и последующей утилизации.

Новая работа показывает, что источником энергии для атмосферного сбора воды может быть не только солнце. Использование ветрового нагрева расширяет набор условий, в которых подобные установки теоретически способны работать, включая ночное время и периоды облачной погоды.