Высвобождая молекулы воды, а не нагревая их, система значительно повышает эффективность. Работая от небольшого солнечного элемента, она может выполнять несколько циклов в день. Это усовершенствование может сделать автономные системы подачи питьевой воды, работающие от воздуха, гораздо более практичными.
Сбор воды из воздуха
Чувствуете жажду? Возможно, вы сможете получать питьевую воду прямо из воздуха. Даже в очень засушливых местах есть небольшие следы влажности, которые могут улавливать и выделять нужные материалы в виде чистой питьевой воды. За последние несколько лет исследователи создали множество материалов, похожих на губки, которые способны «улавливать атмосферную воду».
Однако для извлечения собранной воды из этих материалов обычно требуется нагрев и терпение. В большинстве систем используется солнечный свет для нагревания материала до тех пор, пока удерживаемая им влага не испарится и не сконденсируется в жидкую форму. Этот процесс может длиться часами или даже днями.
Инженеры Массачусетского технологического института теперь сообщают о способе ускорить этот этап восстановления. Вместо того, чтобы полагаться на солнечный свет для вытягивания воды, команда использует ультразвуковые колебания, которые физически удаляют влагу.
Ультразвук: более быстрый способ опреснения воды
Исследователи разработали ультразвуковое устройство, которое генерирует высокочастотные вибрации. Когда сверху помещается водопоглощающий материал, называемый «сорбентом», устройство излучает ультразвуковые волны, настроенные таким образом, чтобы высвобождать молекулы воды из сорбента. Согласно результатам испытаний, проведённых командой, устройство извлекает влагу всего за несколько минут, а не за десятки минут или часов, как при использовании тепловых методов.
Поскольку устройство не использует тепло, ему требуется внешний источник питания. Команда предполагает, что небольшая солнечная батарея может питать систему, а также служить датчиком, сигнализирующим о том, что сорбент полностью насыщен. Систему можно даже запрограммировать на автоматическое включение, когда будет собрано достаточное количество воды. Благодаря такой автоматизации система может
Питание и автоматизация ультразвуковых систем очистки воды
«Люди искали способы получения воды из атмосферы, которая могла бы стать важным источником воды, особенно для пустынных регионов и мест, где нет даже солёной воды для опреснения, — говорит Светлана Борискина, ведущий научный сотрудник факультета машиностроения Массачусетского технологического института. — Теперь у нас есть способ быстро и эффективно получать воду».
Борискина и её коллеги описывают своё устройство в исследовании, опубликованном сегодня (18 ноября) в Nature Communications. Первый автор статьи — Икра Ифтехар Шуво, аспирантка Массачусетского технологического института по специальности «Медиаискусство и медианаука», а также Карлос Диас-Марин, Марвин Кристен, Майкл Лхербетт и Кристофер Лием.
Команда MIT, совершившая прорыв
Группа Борискиной в Массачусетском технологическом институте занимается разработкой материалов, которые инновационным образом взаимодействуют с окружающей средой. Недавно команда исследовала сбор атмосферной воды (САВ) и способы создания материалов, способных поглощать влагу из воздуха. Если такие системы будут надёжными, они смогут существенно помочь сообществам, у которых ограничен доступ к питьевой воде и нет возможности опреснять даже солёную воду.
Как и многие другие исследователи, группа Борискиной изначально предполагала, что система AWH, установленная на открытом воздухе, будет собирать влагу ночью, а днём за счёт солнечного света будет естественным образом испарять собранную воду и конденсировать её для последующего сбора.
«Любой материал, который хорошо впитывает воду, не хочет с ней расставаться, — объясняет Борискина. — Поэтому вам придётся потратить много энергии и драгоценного времени на то, чтобы извлечь воду из материала».
Непростая задача по извлечению влаги
Она поняла, что есть более быстрый способ получения воды, после того как Икра Шуво присоединилась к её группе. Шуво работала с ультразвуком в сфере носимых медицинских устройств. Когда они с Борискиной обдумывали идеи для новых проектов, они поняли, что ультразвук может ускорить процесс получения воды из атмосферы.
«И тут меня осенило: у нас есть большая проблема, которую мы пытаемся решить, и теперь у Икры, похоже, есть инструмент, который можно использовать для решения этой проблемы», — вспоминает Борискина.
Как ультразвуковые волны очищают воду
Ультразвук, или ультразвуковые волны, — это акустические волны давления, которые распространяются с частотой более 20 килогерц (20 000 циклов в секунду). Такие высокочастотные волны не видны и не слышны человеком. Как выяснила команда исследователей, ультразвук вибрирует с частотой, необходимой для вытеснения воды из материала.
«С помощью ультразвука мы можем точно разорвать слабые связи между молекулами воды и местами, где они находятся, — говорит Шуво. — Это похоже на то, как вода танцует под воздействием волн, и это целенаправленное воздействие создает импульс, который высвобождает молекулы воды, и мы видим, как они распадаются на капли».
Шуво и Борискина разработали новый ультразвуковой привод для извлечения воды из материала, собирающего атмосферную влагу. Сердцем устройства является плоское керамическое кольцо, которое вибрирует при подаче напряжения. Это кольцо окружено внешним кольцом с крошечными соплами. Капли воды, которые отделяются от материала, могут проходить через сопла и попадать в ёмкости для сбора, расположенные над и под вибрирующим кольцом.
Разработка высокочастотного устройства для высвобождения воды
Они протестировали устройство на ранее разработанном материале для сбора атмосферной воды. Используя образцы материала размером с четверть, команда сначала поместила каждый образец в камеру влажности, где были установлены различные уровни влажности. Со временем образцы впитали влагу и стали насыщенными. Затем исследователи поместили каждый образец на ультразвуковой привод и включили его, чтобы он вибрировал на ультразвуковых частотах. Во всех случаях устройство смогло откачать достаточно воды, чтобы высушить каждый образец всего за несколько минут.
Испытание привода в реальных условиях
По подсчётам исследователей, по сравнению с использованием солнечного тепла ультразвуковая конструкция в 45 раз эффективнее извлекает воду из того же материала.
«Прелесть этого устройства в том, что оно полностью автономно и может использоваться практически с любым абсорбирующим материалом», — говорит Борискина. По её мнению, практичная бытовая система может состоять из быстро впитывающего материала и ультразвукового привода размером с окно. Как только материал пропитается влагой, привод на короткое время включится от солнечной батареи и вытряхнет воду. После этого материал будет готов к повторному сбору воды в течение нескольких циклов в течение одного дня.
На пути к практичному и эффективному производству воды
«Всё зависит от того, сколько воды вы можете извлечь за день, — говорит она. — С помощью ультразвука мы можем быстро извлечь воду и повторять процедуру снова и снова. За день можно извлечь много воды».
Ссылка: «Высокоэффективный сбор атмосферной воды с помощью ультразвуковой экстракции» Икры Ифтехар Шуво, Карлоса Д. Диаса-Марина, Марвина Кристена, Майкла Лхербетта, Кристофера Лима и Светланы В. Борискиной, 18 ноября 2025 г., Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-025-65586-2