«Зеленый» фильтр из синтетической древесины очищает воду так же, как тропические растения
В отличие от большинства капиллярных фильтров на солнечной энергии, новый прибор очищает воду с помощью транспирации — точно так же, как это делают растения
Базовая конструкция опреснителя на солнечной энергии довольно проста. Обычно все начинается с резервуара с водой, изначально непригодной для питья, слишком соленой или просто грязной. Эта вода проходит через абсорбирующий материал, который затем нагревается солнечным светом, испаряя воду в воздух. Водяной пар направляется к крышке и конденсируется, стекая в поддон для сбора уже чистой воды.
Различные устройства представляют собой вариации этой базовой конструкции с использованием разных материалов, которые лучше поглощают воду или тепло от солнечного света. Среди них губчатый углерод, материалы для подгузников, аэрогель или особые «розы», покрытые черным полимером.
Большинство устройств работают благодаря капиллярному принципу, когда жидкость поднимается вверх через узкое пространство, прилипая к краям и увлекая другие молекулы вверх благодаря внутреннему сцеплению молекул. Но этот метод не очень эффективно масштабируется и получить большое количество чистой воды в адекватные сроки не получится.
Поэтому для нового исследования команда инженеров из Вирджинии обратилась за вдохновением к природе в поисках более эффективной системы отвода воды. Капиллярное действие играет лишь незначительную роль в движении воды, когда речь идет о растениях — большая часть воды перемещается благодаря транспирации. Это процесс, который позволяет растениям эффективно поглощать воду из корней, через стволы и ветви и через листья в виде водяного пара.
Транспирация представляет собой своего рода всасывание, вызванное более низким водным потенциалом в среде вокруг растения. Это побуждает молекулы воды выходить из растения в воздух, увеличивая напряжение на молекулах воды внутри растения, что тянет их вверх. Теоретически этот механизм позволяет перекачивать воду на любую высоту.
Новая синтетическая древесина Virginia Tech состоит из 19 пластиковых трубок высотой 6 см и внутренним диаметром всего 3,175 мм. Они притягивают воду к пористому керамическому диску, покрытому графитом, с площадью поверхности 22,9 см2, который выступает в роли испаряющейся поверхности.
В ходе испытаний исследователи обнаружили, что синтетический материал способен собирать в три раза больше воды, чем при использовании классической системы с резервуаром. Команда заявляет, что в будущем они будут экспериментировать с масштабами своего изобретения: сделают «деревья» выше, добавят им больше керамических «листьев» и поэкспериментируют с использованием мембран для фильтрации соли из воды.
«Мы ожидаем, что наш солнечный парогенератор найдет применение в добыче и очистке подземных вод», — заявил Джонатан Борейко, автор исследования. «Конечная цель — достичь давления всасывания, достаточного для того, чтобы вода в океане проходила через фильтр, исключающий соль, без использования механического насоса. Мы хотим добиться процесса, аналогично тому, который позволяет мангровым деревьям расти в океанской воде».