Исследователи из Массачусетского технологического института и других стран значительно увеличили производительность системы, которая может извлекать питьевую воду непосредственно из воздуха даже в сухих регионах, используя тепло солнца или другого источника. Эта система, основанная на проекте, первоначально разработанном три года назад в Массачусетском технологическом институте членами той же команды, приближает этот процесс к чему-то, что может стать практическим источником воды для отдаленных регионов с ограниченным доступом к воде и электричеству.
Более раннее устройство, продемонстрированное Ван и ее коллегами, обеспечило доказательство концепции системы, которая использует разницу температур внутри устройства, чтобы адсорбирующий материал-который собирает жидкость на своей поверхности—втягивал влагу из воздуха ночью и выпускал ее на следующий день. Когда материал нагревается солнечным светом, разница в температуре между нагретой верхней и затененной нижней сторонами заставляет воду выделяться обратно из адсорбирующего материала. Затем вода конденсируется на приемной тарелке.
Но это устройство требовало использования специальных материалов, называемых металлическими органическими каркасами, или MOFs, которые дороги и ограничены в поставках, а выход воды из системы был недостаточен для практической системы. Теперь, включив вторую стадию десорбции и конденсации, а также используя легкодоступный адсорбирующий материал, производительность устройства была значительно увеличена, и его масштабируемость как потенциально широко распространенного продукта значительно улучшилась, говорят исследователи.
Ван говорит, команда чувствовала, что это здорово иметь небольшой прототип, но как мы можем получить его в более масштабируемой форме. Новые достижения в области дизайна и материалов теперь привели к прогрессу в этом направлении.
Вместо MOFs в новой конструкции используется адсорбирующий материал, называемый цеолитом, который в данном случае состоит из микропористого алюмо-фосфата железа. Этот материал широко доступен, стабилен и обладает правильными адсорбирующими свойствами, чтобы обеспечить эффективную систему производства воды, основанную только на типичных колебаниях дневной и ночной температуры и нагревании солнечным светом.
Двухступенчатая конструкция, разработанная Лопатиным, позволяет разумно использовать тепло, которое генерируется всякий раз, когда вода меняет фазу. Солнечное тепло собирается солнечной поглотительной пластиной в верхней части коробчатой системы и нагревает цеолит, высвобождая влагу, которую материал захватил за ночь. Этот пар конденсируется на коллекторной пластине-процесс, который также выделяет тепло. Коллекторная пластина представляет собой медный лист непосредственно над вторым цеолитовым слоем и соприкасается с ним, где тепло конденсации используется для выделения пара из этого последующего слоя. Капельки воды, собранные из каждого из двух слоев, могут быть направлены вместе в коллекторный резервуар. В этом процессе общая производительность системы, с точки зрения ее потенциальных литров в день на квадратный метр площади сбора солнечной энергии (LMD), примерно удваивается по сравнению с более ранней версией, хотя точные показатели зависят от местных колебаний температуры, солнечного потока и уровня влажности. В первоначальном прототипе новой системы, испытанном на крыше Массачусетского технологического института перед пандемическими ограничениями, устройство производило воду со скоростью на порядки большей, чем предыдущая версия, говорит Ван.
В то время как аналогичные двухступенчатые системы использовались и для других применений, таких как опреснение, Ван говорит: Я думаю, что никто на самом деле не преследовал этот путь использования такой системы для сбора атмосферной воды (AWH), поскольку такие технологии известны.
Существующие подходы AWH включают сбор тумана и сбор росы, но оба имеют значительные ограничения. Сбор тумана работает только со 100-процентной относительной влажностью и в настоящее время используется только в нескольких прибрежных пустынях, в то время как сбор росы требует энергоемкого охлаждения, чтобы обеспечить холодные поверхности, для конденсации влаги-и все еще требует влажности не менее 50 процентов, в зависимости от температуры окружающей среды.
В отличие от этого, новая система может работать на уровне влажности до 20 процентов и не требует никаких затрат энергии, кроме солнечного света или любого другого доступного источника низкосортного тепла.
Лопатин говорит, что ключом является эта двухступенчатая архитектура; теперь, когда ее эффективность была доказана, люди могут искать еще лучшие адсорбирующие материалы, которые могли бы еще больше увеличить темпы производства. Нынешняя производительность около 0,8 литра воды на квадратный метр в день может быть адекватной для некоторых применений, но если эту скорость можно улучшить с помощью некоторой дальнейшей тонкой настройки и выбора материалов, это может стать практичным в больших масштабах, говорит она. Уже сейчас разрабатываются материалы, адсорбция которых примерно в пять раз больше, чем у этого конкретного цеолита, кой могут привести к соответствующему увеличению выхода воды.
Команда продолжает работу над усовершенствованием материалов и конструкции устройства и адаптацией его к конкретным приложениям, таким как портативная версия для военно-полевых операций. Двухступенчатая система также может быть адаптирована к другим видам методов сбора воды, которые используют несколько тепловых циклов в день, питаемых другим источником тепла, а не солнечным светом, и таким образом могут производить более высокие суточные выходы.
