Вечный источник воды персонального пользования - уже не фантастика, а реальность
О многих научных открытиях говорят, что они повлияли на жизнь человечества. Но о немногих - что они способны изменить образ жизни и даже образ мысли целого народа.
Именно о таком открытии рассказал журнал Science 13 апреля.
А народ, для которого оно может иметь судьбоносное значение, - это арабы, точнее, все 350-миллионное население стран арабского мира от Марокко на западе до Ирака и Омана на востоке.
Из килограмма пыли - почти три литра воды каждый день
Одна из главных проблем арабов - извечный дефицит чистой пресной воды. Понятно, что эта проблема волнует жителей всех засушливых и пустынных регионов. И, несмотря на весь технологический прогресс, она не теряет остроты. Население планеты растет, а с ним и потребность в воде.
Однако существующие методы водоочистки довольно энергоемки и дороги, поэтому далеко не все могут их себе позволить.
Ситуацию может исправить изобретение химиков из Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) и инженеров из Массачусетского технологического института (MIT).
Совместно они создали устройство, способное поразить своими возможностями любого, кто живет в жарком климате.
В это устройство нужно спозаранку засыпать килограмм пыли - только не обычной, а особенной, в том и секрет. И к вечеру оно создаст 2,8 л совершенно чистой воды. К следующему вечеру - еще 2,8 л. И так каждый день. Досыпать пыль при этом не надо, она вечна. Электропитания или какого-либо топлива устройству тоже не надо, оно само будет работать вечно. В MIT провели тесты в реальных условиях - устройство работает.
Конечно, никакого волшебства тут нет. Но, впрочем, каждый ли житель засушливой или пустынной местности будет
вникать в тонкости технологии? Для многих это будет просто чудо по воле Всевышнего. И их не будет интересовать, что вода берется не из ничего, а из воздуха. Энергия - тоже не из ничего, а из потока солнечного света. Уж его-то в знойном климате всегда хватает, иначе не было бы зноя, который и делает пустыню безводной.
Из-за жары вода испаряется в воздух (но разумеется, оттуда никуда не исчезает). И его абсолютная влажность тем выше, чем выше температура. Так что даже в самом сухом тропическом климате воды в воздухе вполне достаточно. Нужно только ее оттуда извлечь.
Секрет волшебного вещества
Что же касается волшебной пыли, то чудо - не она, а ее создатели. И прежде всего - химик из UC Berkeley Омар Ягхи (Omar Yaghi). Именно он придумал и создал специальный материал, так называемую металл-органическую каркасную структуру, или MOF (metal-organic framework), который активно поглощает молекулы воды из воздуха.
Работа над изобретением заняла около трех лет. В 2014 г. Омар Ягхи и его команда в UC Berkeley синтезировали MOF, являющийся сочетанием металла циркония и органического вещества - адипиновой кислоты. Убедившись, что этот материал хорошо собирает водяной пар, Омар Ягхи предложил инженеру-механику MIT Эвелин Ванг (Evelyn Wang) использовать MOF в системах сбора воды.
Сконструированная Эвелин Ванг и ее студентами система содержит примерно 1 кг кристаллов MOF размером с пылинки, помещенных внутрь отсека, открытого для доступа воздуха. Отсек расположен между солнечной панелью и конденсатором влаги. По мере того как окружающий воздух проходит через материал MOF, молекулы воды задерживаются в его внутренних порах. Исследования методом рентгеновской дифракции показали, что молекулы воды чаще всего группируются по восемь в форме куба.
Но внутри пыли вода не задерживается, так как под воздействием солнечной энергии, собираемой с помощью солнечной панели, она превращается в пар и уходит в конденсатор, температура которого соответствует температуре окружающего воздуха. Сконденсировавшаяся вода стекает в емкость-накопитель. Устройство работает все время, пока есть солнечный свет.
Созданный прототип устройства, содержащего 1 кг пыли из MOF и работающего благодаря солнечному свету, показал на тестировании, что он способен за 12 часов добыть из воздуха 2,8 л воды при относительной влажности воздуха 20-30%, характерной для засушливого климата.
Омар Ягхи подчеркивает, что это достижение позволяет решить задачу, которая долгое время стояла перед человечеством, - добывать воду из воздуха при низкой влажности. На данный момент, если пока не считать новой разработки, не существует иного способа сделать это, кроме таких методов, которые требуют использования огромного количества энергии, из-за чего получаемая вода оказывается крайне дорогой, недоступной по цене обычным людям.
Кто на этом заработает
Разработчики планируют улучшить показатели, сделав свое изобретение еще более эффективным. Как объясняет Омар Ягхи, нынешний концепт еще предстоит немало совершенствовать.
Существующий материал MOF способен абсорбировать воду в объеме только 20% от своего веса, однако предполагается, что другие материалы MOF смогут впитывать вдвое больше.
"Дело не только в том, что мы создали пассивное устройство, которое стоит себе, собирая воду. Мы заложили как экспериментальные, так и теоретические основы, чтобы найти еще лучшие материалы MOF. Существует большой потенциал для увеличения объема собираемой воды, теперь это только вопрос дальнейшего развития технологии", - говорит Омар Ягхи.
Пока он и его команда работают над улучшением своих MOF, Эвелин Ванг продолжает совершенствовать конструкцию системы, чтобы производить больше воды. В частности, можно сделать так, чтобы система работала круглосуточно, накапливая воду ночью и постепенно отдавая ее в течение дня. Ведь MOF собирает воду в любое время суток, свет нужен только для того, чтобы извлечь ее из волшебной пыли. Также энергию света можно использовать, чтобы всасывать окружающий воздух и прокачивать его через систему, тем самым значительно увеличив скорость сбора воды.
"Мы хотим обеспечить, чтобы благодаря этому устройству можно было выжить в пустыне, даже если воды ждать неоткуда", - подчеркивает Эвелин Ванг. Как и Омар Ягхи, она уверена, что у их изобретения большое будущее.
Для этой уверенности есть основания. Перед любым изобретателем стоит проблема найти инвестора. А Омар Ягхи решил эту проблему еще три года назад, когда стал содиректором Калифорнийского исследовательского альянса (CARA), созданного немецким химическим гигантом BASF. Согласно последнему годовому отчету BASF активы концерна на конец 2016 г. стоили 76,5 млрд евро, чистая прибыль за 2016 г. составила 4,06 млрд евро. Так что когда устройство Омара Ягхи и Эвелин Ванг будет готово к промышленному внедрению, деньги на организацию и запуск производства наверняка найдутся.
Концерн BASF сейчас тестирует один из материалов MOF Омара Ягхи в реальных грузовых автомобилях, работающих на природном газе. Резервуар, заполненный этим MOF, вмещает в три раза больше метана, чем удается закачать под давлением в пустой резервуар.
http://www.dsnews.ua/future/volshebnaya-pyl-skoro-arabskiy-mir-smozhet-utolit-svoyu-19042017220000
Именно о таком открытии рассказал журнал Science 13 апреля.
А народ, для которого оно может иметь судьбоносное значение, - это арабы, точнее, все 350-миллионное население стран арабского мира от Марокко на западе до Ирака и Омана на востоке.
Из килограмма пыли - почти три литра воды каждый день
Одна из главных проблем арабов - извечный дефицит чистой пресной воды. Понятно, что эта проблема волнует жителей всех засушливых и пустынных регионов. И, несмотря на весь технологический прогресс, она не теряет остроты. Население планеты растет, а с ним и потребность в воде.
Однако существующие методы водоочистки довольно энергоемки и дороги, поэтому далеко не все могут их себе позволить.
Ситуацию может исправить изобретение химиков из Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) и инженеров из Массачусетского технологического института (MIT).
Совместно они создали устройство, способное поразить своими возможностями любого, кто живет в жарком климате.
В это устройство нужно спозаранку засыпать килограмм пыли - только не обычной, а особенной, в том и секрет. И к вечеру оно создаст 2,8 л совершенно чистой воды. К следующему вечеру - еще 2,8 л. И так каждый день. Досыпать пыль при этом не надо, она вечна. Электропитания или какого-либо топлива устройству тоже не надо, оно само будет работать вечно. В MIT провели тесты в реальных условиях - устройство работает.
Конечно, никакого волшебства тут нет. Но, впрочем, каждый ли житель засушливой или пустынной местности будет
вникать в тонкости технологии? Для многих это будет просто чудо по воле Всевышнего. И их не будет интересовать, что вода берется не из ничего, а из воздуха. Энергия - тоже не из ничего, а из потока солнечного света. Уж его-то в знойном климате всегда хватает, иначе не было бы зноя, который и делает пустыню безводной.
Из-за жары вода испаряется в воздух (но разумеется, оттуда никуда не исчезает). И его абсолютная влажность тем выше, чем выше температура. Так что даже в самом сухом тропическом климате воды в воздухе вполне достаточно. Нужно только ее оттуда извлечь.
Секрет волшебного вещества
Что же касается волшебной пыли, то чудо - не она, а ее создатели. И прежде всего - химик из UC Berkeley Омар Ягхи (Omar Yaghi). Именно он придумал и создал специальный материал, так называемую металл-органическую каркасную структуру, или MOF (metal-organic framework), который активно поглощает молекулы воды из воздуха.
Работа над изобретением заняла около трех лет. В 2014 г. Омар Ягхи и его команда в UC Berkeley синтезировали MOF, являющийся сочетанием металла циркония и органического вещества - адипиновой кислоты. Убедившись, что этот материал хорошо собирает водяной пар, Омар Ягхи предложил инженеру-механику MIT Эвелин Ванг (Evelyn Wang) использовать MOF в системах сбора воды.
Сконструированная Эвелин Ванг и ее студентами система содержит примерно 1 кг кристаллов MOF размером с пылинки, помещенных внутрь отсека, открытого для доступа воздуха. Отсек расположен между солнечной панелью и конденсатором влаги. По мере того как окружающий воздух проходит через материал MOF, молекулы воды задерживаются в его внутренних порах. Исследования методом рентгеновской дифракции показали, что молекулы воды чаще всего группируются по восемь в форме куба.
Но внутри пыли вода не задерживается, так как под воздействием солнечной энергии, собираемой с помощью солнечной панели, она превращается в пар и уходит в конденсатор, температура которого соответствует температуре окружающего воздуха. Сконденсировавшаяся вода стекает в емкость-накопитель. Устройство работает все время, пока есть солнечный свет.
Созданный прототип устройства, содержащего 1 кг пыли из MOF и работающего благодаря солнечному свету, показал на тестировании, что он способен за 12 часов добыть из воздуха 2,8 л воды при относительной влажности воздуха 20-30%, характерной для засушливого климата.
Омар Ягхи подчеркивает, что это достижение позволяет решить задачу, которая долгое время стояла перед человечеством, - добывать воду из воздуха при низкой влажности. На данный момент, если пока не считать новой разработки, не существует иного способа сделать это, кроме таких методов, которые требуют использования огромного количества энергии, из-за чего получаемая вода оказывается крайне дорогой, недоступной по цене обычным людям.
Кто на этом заработает
Разработчики планируют улучшить показатели, сделав свое изобретение еще более эффективным. Как объясняет Омар Ягхи, нынешний концепт еще предстоит немало совершенствовать.
Существующий материал MOF способен абсорбировать воду в объеме только 20% от своего веса, однако предполагается, что другие материалы MOF смогут впитывать вдвое больше.
"Дело не только в том, что мы создали пассивное устройство, которое стоит себе, собирая воду. Мы заложили как экспериментальные, так и теоретические основы, чтобы найти еще лучшие материалы MOF. Существует большой потенциал для увеличения объема собираемой воды, теперь это только вопрос дальнейшего развития технологии", - говорит Омар Ягхи.
Пока он и его команда работают над улучшением своих MOF, Эвелин Ванг продолжает совершенствовать конструкцию системы, чтобы производить больше воды. В частности, можно сделать так, чтобы система работала круглосуточно, накапливая воду ночью и постепенно отдавая ее в течение дня. Ведь MOF собирает воду в любое время суток, свет нужен только для того, чтобы извлечь ее из волшебной пыли. Также энергию света можно использовать, чтобы всасывать окружающий воздух и прокачивать его через систему, тем самым значительно увеличив скорость сбора воды.
"Мы хотим обеспечить, чтобы благодаря этому устройству можно было выжить в пустыне, даже если воды ждать неоткуда", - подчеркивает Эвелин Ванг. Как и Омар Ягхи, она уверена, что у их изобретения большое будущее.
Для этой уверенности есть основания. Перед любым изобретателем стоит проблема найти инвестора. А Омар Ягхи решил эту проблему еще три года назад, когда стал содиректором Калифорнийского исследовательского альянса (CARA), созданного немецким химическим гигантом BASF. Согласно последнему годовому отчету BASF активы концерна на конец 2016 г. стоили 76,5 млрд евро, чистая прибыль за 2016 г. составила 4,06 млрд евро. Так что когда устройство Омара Ягхи и Эвелин Ванг будет готово к промышленному внедрению, деньги на организацию и запуск производства наверняка найдутся.
Концерн BASF сейчас тестирует один из материалов MOF Омара Ягхи в реальных грузовых автомобилях, работающих на природном газе. Резервуар, заполненный этим MOF, вмещает в три раза больше метана, чем удается закачать под давлением в пустой резервуар.
http://www.dsnews.ua/future/volshebnaya-pyl-skoro-arabskiy-mir-smozhet-utolit-svoyu-19042017220000