|
Извлечение воды из воздуха ускорили в 45 раз
|
|
|
|
Испытываете жажду? Почему бы не использовать воду из-под крана? Даже в условиях пустыни существует определенный уровень влажности, который при использовании подходящего материала можно использовать для получения чистой питьевой воды. В последние годы ученые разработали множество многообещающих губчатых материалов для такого “сбора атмосферной воды”.
|
|
|
|
Но для извлечения воды из этих материалов обычно требуется тепло и время. В существующих конструкциях для испарения воды из материалов и ее конденсации в виде капель используется солнечное тепло. Но этот этап может занять часы или даже дни.
|
|
|
|
Теперь инженеры Массачусетского технологического института придумали способ быстрого извлечения воды из материала для сбора атмосферной влаги. Вместо того, чтобы ждать, пока солнце испарит воду, команда использует ультразвуковые волны для вытряхивания воды.
|
|
|
|
Исследователи разработали ультразвуковое устройство, которое вибрирует на высокой частоте. Когда на устройство помещается материал для сбора воды, известный как “сорбент”, устройство излучает ультразвуковые волны, которые настроены таким образом, чтобы вытряхивать молекулы воды из сорбента. Команда обнаружила, что устройство восстанавливает воду за считанные минуты, по сравнению с десятками минут или часов, которые требуются для термических конструкций.
|
|
|
|
|
|
|
В отличие от конструкций, основанных на нагреве, для устройства требуется источник питания. Команда предполагает, что устройство может питаться от небольшой солнечной батареи, которая также может выполнять функцию датчика, определяющего, когда сорбент заполнен. Его также можно запрограммировать на автоматическое включение всякий раз, когда материал накопит достаточно влаги для извлечения. Таким образом, система может впитывать и вытряхивать воду из воздуха в течение нескольких циклов за один день.
|
|
|
|
“Люди искали способы получать воду из атмосферы, которая могла бы стать важным источником воды, особенно для пустынных регионов и мест, где нет даже соленой воды для опреснения”, - говорит Светлана Борискина, главный научный сотрудник отдела машиностроения Массачусетского технологического института. - Теперь у нас есть способ быстро и эффективно восстанавливать воду”.
|
|
|
|
Борискина и ее коллеги сообщают о своем новом устройстве в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Communications. Первым автором исследования является Икра Ифтехар Шуво, аспирант Массачусетского технологического института в области медиа-искусства и естественных наук, а также Карлос Диас-Марин, Марвин Кристен, Майкл Лербетт и Кристофер Лием.
|
|
|
|
Драгоценные часы
|
|
|
|
Группа Борискиной в Массачусетском технологическом институте разрабатывает материалы, которые по-новому взаимодействуют с окружающей средой. Недавно ее группа исследовала сбор атмосферной воды (AWH) и способы создания материалов, которые могут эффективно поглощать воду из воздуха. Есть надежда, что, если системы AWH смогут работать надежно, они принесут наибольшую пользу сообществам, где традиционные источники питьевой воды — и даже соленой воды — являются дефицитными.
|
|
|
|
Как и другие группы, лаборатория Борискиной в целом предполагала, что система AWH в полевых условиях будет поглощать влагу в течение ночи, а затем использовать солнечное тепло в течение дня для естественного испарения воды и ее конденсации для сбора.
|
|
|
|
“Любой материал, который очень хорошо удерживает воду, не захочет с ней расставаться”, - объясняет Борискина. “Поэтому вам нужно потратить много энергии и драгоценных часов на то, чтобы удалить воду из материала”.
|
|
|
|
Она поняла, что может быть более быстрый способ восстановить отток воды, после того как Икра Шуво присоединилась к ее группе. Шуво работала с ультразвуком для создания носимых медицинских устройств. Когда они с Борискиной рассматривали идеи для новых проектов, они поняли, что ультразвук может стать способом ускорить этап восстановления при сборе атмосферной воды.
|
|
|
|
“Это сработало: у нас есть большая проблема, которую мы пытаемся решить, и теперь у Ikra, похоже, появился инструмент, который можно использовать для решения этой проблемы”, - вспоминает Борискина.
|
|
|
|
Танец на воде
|
|
|
|
Ультразвук, или ультразвуковые волны, - это волны акустического давления, распространяющиеся с частотой более 20 килогерц (20 000 циклов в секунду). Такие высокочастотные волны не видны и не слышны человеку. И, как выяснила команда, ультразвук вибрирует как раз с нужной частотой, чтобы вытряхнуть воду из материала.
|
|
|
|
“С помощью ультразвука мы можем точно разорвать слабые связи между молекулами воды и местами их скопления”, - говорит Шуво. “Это похоже на то, как вода танцует вместе с волнами, и это целенаправленное возмущение создает импульс, который высвобождает молекулы воды, и мы можем видеть, как они разбиваются на капли”.
|
|
|
|
Шуво и Борискина разработали новый ультразвуковой привод для сбора воды из атмосферных водосборников. Сердцем устройства является плоское керамическое кольцо, которое вибрирует при подаче напряжения. Это кольцо окружено внешним кольцом, усеянным крошечными насадками. Капли воды, которые стряхиваются с материала, могут попадать через сопло в емкости для сбора, прикрепленные над и под вибрирующим кольцом.
|
|
|
|
Они протестировали устройство на ранее разработанном материале для сбора атмосферной воды. Используя образцы материала размером в четверть дюйма, команда сначала поместила каждый образец во влажностную камеру, настроенную на различные уровни влажности. Со временем образцы впитывали влагу и становились насыщенными. Затем исследователи поместили каждый образец на ультразвуковой привод и включили его, чтобы он вибрировал на ультразвуковых частотах. Во всех случаях устройство смогло вытряхнуть достаточное количество воды, чтобы высушить каждый образец всего за несколько минут.
|
|
|
|
Исследователи подсчитали, что по сравнению с использованием солнечного тепла ультразвуковая конструкция в 45 раз эффективнее извлекает воду из того же материала.
|
|
|
|
“Прелесть этого устройства в том, что оно полностью дополняет друг друга и может использоваться практически с любым сорбирующим материалом”, - говорит Борискина, которая представляет себе практичную бытовую систему, состоящую из быстро впитывающего материала и ультразвукового привода, каждый из которых размером с окно. Как только материал пропитается, на короткое время включается привод, работающий от солнечной батареи, для вытряхивания воды. После этого материал будет готов к повторному сбору воды в течение нескольких циклов в течение одного дня.
|
|
|
|
“Все зависит от того, сколько воды вы можете извлечь в день”, - говорит она. “С помощью ультразвука мы можем быстро восстанавливать количество воды и повторять цикл снова и снова. Этого может быть достаточно много в день”.
|
|
|
|
Эта работа была частично поддержана Лабораторией водных и пищевых систем Массачусетского технологического института им. Абдула Латифа Джамиля и Фондом STEM Массачусетского технологического института им. Израиля Цукермана. Эта работа была частично выполнена с использованием средств MIT.nano и ISN в Массачусетском технологическом институте.
|
|
|
|
Источник
|
