В современном мире проблема водной нехватки становится одной из самых острых глобальных задач. Более двух миллиардов человек испытывают сложности с доступом к чистой питьевой воде, особенно это касается отдалённых, засушливых и труднодоступных территорий. Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является добыча воды из воздуха, которая основывается на извлечении атмосферной влаги и конденсации её в пригодную для использования жидкость. Недавно учёные представили уникальный проект — метровый гидрогель с оригами-структурой, который демонстрирует выдающиеся показатели в условиях пустыни Долина Смерти, одного из самых сухих и жарких мест на планете. Эта технология не только расширяет границы возможностей сбора влаги из воздуха, но и создаёт основу для масштабируемых и экологичных систем водоснабжения в самых сложных климатических условиях.
Основой инновационного устройства является гидрогель — полимерный материал, способный поглощать влагу из воздуха и удерживать её внутри своей структуры. Гидрогели уже давно используются в различных областях благодаря своей высокой водоёмкости и способности к повторному использованию. Однако в большинстве существующих систем их эффективность ограничена из-за низкой производительности и плохой адаптивности к условиям низкой влажности. В представленном проекте гидрогель разработан с учётом особенностей экстремальных условий, а его механизм работы существенно усовершенствован благодаря применению конструкции в стиле оригами. Технология оригами, традиционная японская техника складывания бумаги, в данном случае применяется для создания трёхмерной структуры панели гидрогеля.
Такая конструкция значительно увеличивает площадь поверхности материала, контактирующей с воздухом, что непосредственно повышает объём собираемой воды. Благодаря уникальному складыванию материал может трансформироваться, обеспечивая оптимальные условия для максимального поглощения влаги при различных уровнях относительной влажности и температурах. Это качество особенно важно для регионов типа Долины Смерти, где влажность может варьироваться от крайне низких до более умеренных показателей. Испытания устройства проводились непосредственно в Долине Смерти, где в условиях экстремальной жары и сухости километровая панель показала возможность собрать от 57 до 161,5 мл воды в сутки при относительной влажности воздуха от 21 до 88%. Это рекордный показатель среди существующих аналогичных систем, часто ограниченных несколькими миллилитрами в день.
Такая высокая эффективность открывает возможность использовать это устройство как источник живительной воды для людей, живущих в условиях дефицита водных ресурсов или же для автономных систем водоснабжения в сельских и отдалённых районах. Особое внимание при разработке панели уделялось безопасности и долговечности. В процессе работы устройство не выделяет токсичные вещества и в частности сохраняет концентрацию литиевых ионов в собранной воде на уровне ниже 0,06 частей на миллион, что значительно безопаснее по сравнению с некоторыми современными технологиями, где используется литиесодержащие сорбенты с низкой экологической безопасностью. Срок эксплуатации панели оценивается минимум в один год, что свидетельствует о стабильности и возможности длительной эксплуатации без снижения эффективности. Сочетание солнечной энергии и природных физических процессов лежит в основе работы устройства.
Гидрогель всасывает влажность ночью, когда температура и влажность выше, а затем под действием солнечного тепла в дневное время происходит процесс испарения и конденсации, направленный на аккумулирование воды для последующего сбора. Такой пассивный цикл позволяет обойтись без потребления электроэнергии и сложного оборудования, что особо важно для автономных систем и людей без доступа к инфраструктуре. Разработка метрационной панели на основе состава с полимерными стремлениями и сложной оригами-геометрией была результатом международного сотрудничества исследовательских групп из таких ведущих институтов как Массачусетский технологический институт, Университет национального сингапура и других научных центров. В результате объединения экспертизы в области материаловедения, механики и энергетики была создана масштабируемая платформа, которая может быть адаптирована для различных климатических условий и требований. Такие инновации крайне важны в контексте глобальных изменений климата и растущего водного дефицита в мире.
По данным Всемирной организации здравоохранения, именно в засушливых и слаборазвитых регионах в наибольшей степени ощущается нехватка воды, влияющая на здоровье, экономику и социальную стабильность. После успеха испытаний в такой экстремальной местности, как Долина Смерти, технология гидрогеля с оригами-структурой может быть реализована в других частях планеты с аналогичными вызовами. Кроме чисто технических преимуществ, система отличается простотой монтажа и эксплуатации, что снижает затраты и расширяет доступ к технологии. Вертикальная ориентация панели и возможность установки на фасадах зданий или специально оборудованных стойках делают её удобной для интеграции в городскую и сельскую среду. Материалы, используемые в производстве гидрогеля, имеют низкую себестоимость и экологическую безопасность, что положительно сказывается на общем воздействии на окружающую среду.
Современные методы атмосферного сбора воды часто включают применение металлических органических каркасов (MOF) и других сорбентов, которые, несмотря на свою эффективность, могут иметь высокую себестоимость и экологические риски. В сравнении с ними инновационный гидрогель предлагает более устойчивое и масштабируемое решение, способное работать в широком диапазоне влажности и температуры, что критично для многообразия природных условий на земле. Данная технология также интегрируется с идеями устойчивого развития и декарбонизации. Пассивное получение воды из воздуха снижает потребность в традиционных источниках, например, в добыче подземных вод или разрушительных методах транспортировки питьевой воды. Использование возобновляемой солнечной энергии и долговечность устройства гарантируют низкий углеродный след и экономическую эффективность в долгосрочной перспективе.
Потенциал расширения применения гидрогеля с оригами-структурой огромен. Помимо жилых районов и сельской местности, технология может найти применение в походах, при чрезвычайных ситуациях, военной сфере и международной гуманитарной помощи. Подобные системы можно устанавливать в школах, больницах и общественных местах, повышая комфорт и качество жизни людей в районах с ограниченными ресурсами воды. Результаты исследования и технологические решения, описанные в проекте, уже опубликованы в престижном научном издании Nature Water. Это подтверждает высокий научный уровень и практическую значимость работы.
Авторский коллектив продолжает совершенствовать устройство, улучшая материалы, механизмы трансформации и способы сбора воды, что, без сомнения, приведёт к дальнейшему росту эффективности и удобству использования системы. Таким образом, разработка вертикального гидрогеля с эффективной оригами-структурой является важным шагом на пути к решению глобальной проблемы водного дефицита. Инновация предлагает реальную возможность преобразовать даже самый сухой воздух в жизненно необходимый ресурс, снижая зависимость от ограниченных природных водоёмов и расширяя доступ к чистой воде для миллионов людей по всему миру. Технология обещает стать неотъемлемой частью будущих экологически устойчивых систем водоснабжения и борьбе с последствиями изменения климата.
