Дефицит чистой пресной воды входит в пятерку основных глобальных проблем человечества. В ряде стран, не имеющих природных источников пресной воды (рек, озер), эта проблема стоит на первом месте. Нехватка воды становится потенциальной причиной социальных волнений, конфликтов, а также меняет традиционную систему миграции населения.
Очевидно, что в этих регионах нужны срочные меры по изысканию возможностей обеспечения населения питьевой водой. Экспертами Института воды, окружающей среды и здоровья Университета Организации Объединенных Наций опубликован доклад об использовании нетрадиционных водных ресурсов с применением технологических вмешательств и инноваций.
Одним из таких источников названа вода, содержащаяся в тумане. Способ использования «туманной» воды актуален в засушливых высокогорных районах, распространенных в Африке, Южной Америке и других частях света. «Ловцы туманов» – так инженеры называют свое детище.
Метод сбора воды из тумана
В период с 2013 по 2016 гг. промышленный дизайнер Петер Траутвайн совместно с Германским фондом водных ресурсов разработали технологию сбора питьевой воды из тумана для снабжения населения засушливых высокогорных прибрежных районов, где достаточно часто бывают туманы.
Мюнхенская коммерческая компания, возглавляемая Петером Траутвайном, работала в самой засушливой части Марокко – на склоне горы Бутмезгида. Созданная установка вполне способна выдерживать сильные ветра и очень проста в обслуживании.
В процессе тестирования были получены следующие результаты: в среднем за год эта установка позволяет извлечь из тумана примерно 22 литра воды на квадратный метр, а в период с ноября по февраль средняя производительность установки достигает 60 литров на квадратный метр.
Что же представляет собой система сбора «туманной» воды? Она состоит из сетки с очень мелкими ячейками, натянутой на стальную раму. Сетка зафиксирована посредством резиновых растяжек, которые также прикрепляют ее к емкости коллектора. Эти растяжки позволяют поддерживать сетку в натянутом состоянии, кроме того, они выполняют роль амортизаторов, смягчающих сильные порывы ветра.
Важно размещать сетки перпендикулярно направлению ветра, чтобы обеспечить максимально возможное улавливание воды. В результате водяной пар, который оседает на сетке, конденсируется и стекает в расположенный снизу коллектор.
Эту установку очень легко собрать и достаточно просто обслуживать, поэтому смело можно назвать ее очень хорошим решением проблемы дефицита воды в бедных засушливых районах, где технические и материальные возможности очень ограничены.
Кому принадлежит патент на «туманную установку»?
Представьте себе очень раннее утро в пустыне Намиб. Прохладно. С берега Атлантики надвигается туман. Именно в это время, когда большинство обитателей пустыни еще не готовы покинуть свои теплые ночные убежища, жук-чернотелка (Stenocara) выползает на вершину бархана и замирает в очень необычной позе.
Он поднимает вверх заднюю часть брюшка и склоняет голову к песку. Из-за довольно неудобного положения его лапки напряжены. Наконец, начинает происходить то, ради чего жук проявляет такую выдержку: на его надкрыльях начинают собираться капельки воды, которые затем стекают чернотелке в рот.
Дело в том, что единственным источником влаги, доступным жуку, является утренний туман. Как известно, Намиб -одна из самых сухих пустынь в мире. Таким образом, чтобы выжить в таких суровых условиях, чернотелке не оставалось ничего другого, как научиться добывать воду из воздуха.
Механизм сбора воды у жука-чернотелки не так уж прост, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что мельчайшие капельки тумана разносятся в разные стороны от малейшего дуновения ветра еще до того, как они стекут в рот насекомому – ветер и электростатические силы превышают силу гравитации. Выход только один: сделать так, чтобы микроскопические капельки агрегировались в более крупные.
Если присмотреться внимательнее, то можно заметить, что надкрылья чернотелки состоят из бугорков и впадин. Капелька тумана попадает на гидрофильный бугорок и расплющивается из-за электростатического притяжения. Поперечное сечение капли настолько мало, что ветер не может унести ее.
Кроме того, у капли есть гидрофильное свойство – к ней может прикрепиться другая капля. На шершавом бугорке надкрылья закрепляется одна капелька, к ней постепенно присоединяются все новые и новые. Большая капля растет до тех пор, пока не победит сила гравитации, заставляющая каплю стечь по впадинкам в коллектор, которым является рот насекомого.
При движении вниз капля нигде не застревает, так как впадинки, в отличие от бугорков, гидрофобны. Благодаря такому совершенному механизму жук-чернотелка может жить в очень сложных природных условиях.
Очевидно, что именно этот механизм лежит в основе созданной установки для сбора воды. CloudFisher (такое название получило это сооружение) является товарным знаком Германского фонда водных ресурсов и защищено патентом на изобретение. Вряд ли жук-чернотелка когда-либо заявит свои авторские права на это открытие, но, если вам доведется увидеть, как работают эти сооружения, вспомните маленького, но очень упорного ловца туманов.
Как собрать чистую воду, если атмосфера загрязнена
Метод сбора пресной воды из тумана используется во многих странах мира. Так, в туманных районах Чили, Перу, Боливии сбор водяных капель специальными сетками стал вполне обычным явлением. К сожалению, из-за существенного загрязнения атмосферы вода далеко не всегда чистая.
Чтобы решить эту проблему, ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха усовершенствовали систему сбора воды из воздуха, снабдив ее специальной решеткой из металлической проволоки, покрытой уникальным составом из полимеров и диоксида титана.
Такое сочетание веществ позволяет, во-первых, улучшить эффект сбора капель, которые лучше закрепляются на решетке и успевают попасть в контейнер до того, как их унесет ветер. Во-вторых, диоксид титана действует как катализатор, расщепляя загрязняющие элементы в каплях воды, нейтрализуя их.
Рассказывая о новом технологическом решении, руководивший проектом профессор Института исследований полимеров имени Макса Планка в Майнце Ритвик Гош говорит: «Наша система не только собирает туман, но и очищает собранную воду, что означает, что ее можно использовать в районах с атмосферным загрязнением, таких, как густонаселенные городские центры».
Важно отметить, что это усовершенствование не требует постоянного технического обслуживания. Кроме того, регенерация катализатора не нуждается ни в какой дополнительной энергии, кроме небольших доз ультрафиолетового излучения. Чтобы реактивировать диоксид титана на 24 часа, достаточно получаса воздействия на него солнечного света. Таким образом, данную установку можно применять в регионах, где часты туманы, но мало солнечного света.
В ходе испытаний было установлено, что катализатор способен расщепить до 94% органических соединений, представленных для тестирования. Среди этих образцов были частицы дизельного топливо, а также химическое вещество, обладающее гормональной активностью – бисфенол А.
Следует отметить перспективность этой технологии не только для обеспечения населения питьевой водой в тех районах, где ощущается ее недостаток, но и для охраны окружающей среды. В этих целях эту технологию можно применять, например, в градирнях электростанций.
Профессор Калифорнийского университета Томас Шуциус говорит: «Было бы разумно собрать часть этой воды до того, как она утечет, и убедиться, что она чистая на случай, если вы захотите вернуть ее обратно в окружающую среду».
Скорее всего, у большинства из нас, россиян, привыкших к безбрежным водным просторам, способ сбора воды «по капельке», вызовет скептическое отношение. Нам повезло жить в стране, где самое ценное вещество не является дефицитом.
Но тем более нам стоит задуматься над тем, как много в мире мест, где воду в буквальном смысле слова измеряют каплями, и сделать все зависящее от нас, чтобы сохранить водные богатства нашей страны.
