2,2 mld ludzi na świecie nie ma dostępu do bezpiecznej dla zdrowia wody pitnej, a zmiany klimatyczne pogłębiają problem suszy. Zespół inżynierów z MIT wie, jak stawić czoła temu wyzwaniu. Ich najnowsze urządzenie potrafi wyciągnąć wodę pitną wprost z powietrza – choćby w najbardziej suchych pustyniach na Ziemi.
Urządzenie przypomina czarne okno o rozmiarach około jednego metra kwadratowego, ale jego możliwości są daleko bardziej fascynujące niż wygląd. To pionowy panel wykonany z hydrożelu o unikalnej strukturze przypominającej czarną folię bąbelkową, zamknięty w szklanej komorze z specjalną warstwą chłodzącą.
Sekret tkwi w kopułkowych strukturach hydrożelu, które podczas absorpcji pary wodnej z powietrza puchną jak miniaturowe bąbelki, a gdy para się uwalnia, kurczą się w sposób przypominający origami. Ten pozornie prosty mechanizm jest rezultatem skomplikowanych badań nad materiałoznawstwem i inżynierią powierzchni.
Magia chemii bez magii
Prawdziwa innowacja leży w składzie hydrożelu. Zespół pod kierownictwem profesora Xuanhe Zhao z MIT rozwiązał najważniejszy problem, który od lat trapił konstruktorów podobnych urządzeń. Tradycyjne hydrożele używały soli litu do zwiększenia absorpcji wody, ale te sole miały tendencję do wycieku do zbieranej wody, czyniąc ją niezdatną do picia.
Przełom nastąpił dzięki dodaniu glicerolu – związku, który stabilizuje sole i utrzymuje je wewnątrz żelu. Rezultatem jest woda o stężeniu jonów litu poniżej 0,06 ppm, co jest znacznie poniżej bezpiecznego limitu wyznaczonego przez amerykańską służbę geologiczną.
Zbliżenie na nowy materiał hydrożelowy, który pęcznieje pochłaniając wodę z powietrza. Gdy woda skrapla się w zbieranym materiale poszczególne kulki hydrożelu kurczą się, pochłaniając więcej wilgociTest na końcu świata
Prawdziwym sprawdzianem dla tej technologii był tygodniowy test w Dolinie Śmierci w Kalifornii – najsuchszym regionie Ameryki Północnej. W miejscu, gdzie wilgotność względna wynosi zaledwie 21 proc., a temperatury sięgają 60° C, urządzenie zdołało wyprodukować od 57 do 161,5 ml wody dziennie.
To może wydawać się kilka – w końcu to tylko około dwóch trzecich szklanki wody dziennie. Ale gdy weźmiemy pod uwagę, iż urządzenie działa całkowicie pasywnie, bez potrzeby zasilania, baterii czy choćby paneli słonecznych wynik staje się imponujący. W bardziej wilgotnych regionach wydajność będzie znacznie wyższa.
Inżynierowie z MIT testują pasywny zbieracz wody w Dolinie Śmierci w Kalifornii. Konstrukcja wielkości okna wykonana jest z materiału hydrożelowegoZespół z MIT szacuje, iż osiem paneli o wymiarach 1 na 2 m mogłoby zaspokoić podstawowe potrzeby wodne gospodarka domowego choćby w suchych regionach. Profesor Zhao podkreśla praktyczny wymiar tej innowacji: Zbudowaliśmy urządzenie w skali metrowej, które mamy nadzieję wdrożyć w regionach o ograniczonych zasobach, gdzie choćby ogniwo słoneczne nie jest łatwo dostępne.
Konkurencja w dziedzinie atmosferycznego pozyskiwania wody
MIT nie jest jedynym ośrodkiem badawczym pracującym nad technologiami pozyskiwania wody z atmosfery. Zespoły z University of Texas w Austin opracowały biomolekularne hydrożele zdolne do produkcji choćby 14,19 litra wody na kilogram sorbentu dziennie. Inne grupy badawcze eksperymentują z metalowymi strukturami organicznymi (MOF) i zaawansowanymi materiałami kompozytowymi.
Jednak rozwiązanie MIT wyróżnia się swoją całkowicie pasywną naturą i brakiem potrzeby zewnętrznego zasilania. Podczas gdy inne systemy często wymagają energii słonecznej, elektryczności czy zaawansowanych systemów chłodzenia to urządzenie z MIT działa wyłącznie dzięki naturalnym cyklom temperatura i wilgotności.
Pomimo obiecujących wyników technologia stoi przed wieloma wyzwaniami. Koszty produkcji, trwałość materiałów w długim okresie oraz optymalizacja wydajności to najważniejsze obszary wymagające dalszych badań. Chang Liu, czyli główny autor badania w tej chwili pracujący na National University of Singapore, przyznaje: To tylko projekt proof-of-concept i jest wiele rzeczy, które możemy zoptymalizować. Na przykład moglibyśmy mieć projekt wielopanelowy. Pracujemy też nad następną generacją materiału, aby dalej poprawić jego adekwatności.
W kontekście globalnego kryzysu wodnego, gdzie przewiduje się, iż do 2030 r. 40 proc. światowych potrzeb wodnych może pozostać niezaspokojonych technologie takie jak opracowana przez MIT nabierają szczególnego znaczenia. Mogą one stanowić uzupełnienie tradycyjnych źródeł wody, szczególnie w regionach, gdzie inne rozwiązania są nieosiągalne ekonomicznie lub logistycznie.
