Исследователи разработали конденсатор воды для стран, где не хватает питьевой воды. Это техническое решение с нулевым энергопотреблением для сбора воды из атмосферы в течение 24-часового ежедневного цикла. Принцип работы устройства основан на применении самоохлаждающейся поверхности и наличии специального радиационного экрана.
Пресной воды не хватает во многих частях мира, и ее там необходимо получать с большими затратами как энергии, так и финансов. Сообщества у океана могут опреснять морскую воду для этой цели, но для этого требуется большое количество энергии. На удалении от побережья практически часто единственным оставшимся вариантом является конденсация атмосферной влаги путем охлаждения либо с помощью процессов, которые также требуют больших затрат энергии, либо с использованием «пассивных» технологий, которые используют перепады температуры между днем и ночью. Однако при современных пассивных технологиях, таких как пленка для сбора росы, забор воды возможен только ночью. Это связано с тем, что солнце нагревает фольгу в течение дня, что делает невозможным дневное образование конденсата.
Самоохлаждение и защита от радиации
Исследователи смогли разработать технологию, которая впервые позволяет собирать воду 24 часа в сутки, без затрат энергии, даже под палящим солнцем. Новое устройство состоит из стекла со специальным покрытием, которое не только отражает солнечное излучение, но и излучает собственное тепло через атмосферу в космическое пространство. Таким образом, стеклянный экран охлаждается на 15 градусов по Цельсию (59 градусов по Фаренгейту) ниже температуры окружающей среды. На нижней стороне этого стекла водяной пар из воздуха конденсируется в воду. Процесс такой же, какой можно наблюдать на плохо утепленных окнах зимой.
Ученые покрыли стекло специально разработанными слоями полимера и серебра. Этот особый подход к покрытию заставляет стекло излучать инфракрасное излучение с определенной длиной волны в космическое пространство без поглощения атмосферой. Еще одним ключевым элементом устройства является новый радиационный экран конусообразной формы. Он в значительной степени отклоняет тепловое излучение от атмосферы и защищает стекло от поступающего солнечного излучения, позволяя устройству излучать вышеупомянутое тепло наружу и, таким образом, полностью пассивно самоохлаждаться.
Близко к теоретическому оптимуму
Как показали испытания нового устройства в реальных условиях на крыше здания, новая технология может производить как минимум в два раза больше воды на единицу площади в день, чем лучшие современные пассивные технологии на основе фольги: небольшая пилотная система с диаметром стекла 10 сантиметров доставляла 4,6 миллилитров воды в день в реальных условиях. Соответственно, более крупные устройства с большими стеклами будут производить больше воды. Ученые смогли показать, что в идеальных условиях они могут собирать до 0,53 децилитра (примерно 1,8 жидкой унции) воды на квадратный метр поверхности стекла в час. Это близко к теоретическому максимальному значению в 0,6 децилитра (2,03 унции) в час, которое физически невозможно превысить.
Как собрать готовый конденсат без потерь
Другие технологии обычно требуют удаления конденсата с поверхности, что требует энергии. Без этого шага значительная часть сконденсировавшейся воды прилипала бы к поверхности и оставалась бы непригодной для использования, препятствуя дальнейшей конденсации. Исследователи нанесли новое супергидрофобное (чрезвычайно водоотталкивающее) покрытие на нижнюю сторону стекла своего водяного конденсатора. Это приводит к тому, что сконденсированная вода собирается в капли и стекает или спрыгивает сама по себе. В отличие от других технологий, эта действительно может работать без дополнительной энергии, что является ключевым преимуществом.
Путь к применению и масштабированию открыт
Целью исследователей было разработать технологию для стран с дефицитом воды и, в частности, для развивающихся и развивающихся стран. Теперь есть возможность доработать эту технологию или комбинировать ее с другими методами для увеличения выхода воды. Производство оконных стекол с покрытием относительно простое, и должно быть возможно строительство водяных конденсаторов, которые многократно больше, чем существующая пилотная система. Подобно тому, как солнечные батареи состоят из нескольких модулей, установленных рядом друг с другом, несколько водяных конденсаторов также могут быть расположены рядом, чтобы собрать воедино крупномасштабную систему.