Инженеры из школы инженеров Джеймса Кларка при американском Университете штата Мэриленд (UMD) в США создали новое технологическое решение насущной глобальной проблемы нехватки воды, создав набор солнечных установок для производства пара, которые одновременно являются эффективными, легкодоступными, экологически чистыми, биоразлагаемыми и по чрезвычайно низкой стоимости.
Вдохновленные процессом, посредством которого вода проходит через деревья от корней к небольшим порам на нижней стороне листьев, исследовательская группа UMD создала несколько новых способов переноса воды через древесину, очищая ее для безопасного использования.
Энергия от солнца и кусок дерева, меньший, чем рука взрослого человека, являются единственными компонентами, необходимыми для нагрева воды до точки пропаривания в этих устройствах.
Глобальная нехватка воды является насущной проблемой во многих странах мира, а ситуация в развивающихся государствах намного хуже, где проживает около 1 миллиарда людей.
— Стоимость и производство являются ключевыми проблемами в использовании солнечно-паровой технологии для опреснения морской воды, и в первый раз структуры на основе древесины могут потенциально обеспечивать решения, — отметил доцент материаловедения Лянбинг Ху.
По его словам, ученые заинтересованы использовании таких устройств для коммерческого использования, что включает в себя разработку способов легкого производства устройств и снижения их стоимости.
Представьте миску неочищенной воды, стоящую на солнечном месте.
В ней плавает небольшой кусок дерева размером 2 на 2 дюйма. Верхняя сторона потемнеет, чтобы уловить солнечные лучи. Когда солнце нагреет древесину, вода снизу проходит через естественные каналы. Горячая темная поверхность испаряет воду, которую можно конденсировать. Соль или другие загрязняющие вещества слишком тяжелы для испарения, поэтому они оседают.
В одном исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, используются углеродные нанотрубки — крошечные, естественно темные структуры, выращенные в лаборатории — чтобы покрыть одну сторону куска дерева и нагреть воду внутри.
Другой метод, описанный в журнале Advanced Energy Materials, использует металлические наночастицы для достижения тех же результатов. Оба эти конструкции очень эффективны, но при этом имеют более высокую стоимость.
Другой инновационный дизайн включает карбонизацию, то есть, по сути, сжигание верхнего слоя древесины для создания темной поверхности.
Команда попробовала это с каналами естественного куска дерева. Затем команда измерила, насколько эффективны эти солнечные устройства для производства пара. Наиболее эффективным устройством было сгоревшее дерево – эффективность достигала порядка 87%. Такой способ также оказался наименее дорогим в производстве — всего 1 доллар за квадратный метр.
Профессор Сиддхартха Дас из отдела машиностроения UMD и его команда изучили, как проходит поток воды через лес. Затем был выяснен температурный режим и степень улавливания света в обработанной древесине.
Версия с углеродной нанотрубкой также является гибкой, потому что компонент, который делает древесину жесткой, лигнин, был удален.
Поэтому такой кусок можно легко свернуть в трубку.
Устройство, покрытое металлическими наночастицами, показало самоочищающие свойства, когда его помещали в соленую воду.
В течение дня соль была слишком тяжелой, чтобы . А ночью, в течение 12 часов без солнечного света, соль растворялась со влажной поверхности.
Фотографии поверхности дерева до и после добавления любого затемняющего агента были получены в лаборатории Advanced Imging and Microscopy (AIM), входящей в состав Мэриленд Наноцентр, штаб-квартира которого находится в Колледж-парке.