Ултразвукова технология на MIT извлича питейна вода от въздуха за минути

Жадни ли сте? Вече може да е възможно да се добие чиста вода директно от въздуха около нас. Дори изключително сухите региони съдържат малки количества влага, а определени материали могат да я абсорбират и да я освободят като годна за пиене вода. През последните години изследователи създадоха различни материали с пореста структура, които правят възможно този тип „събиране на атмосферна вода“.

Обикновено извличането на уловената вода изисква топлина – и дълго чакане. Повечето настоящи системи разчитат на слънчева светлина, за да загреят тези материали, докато задържаната влага се изпари и кондензира в течност. Тази бавна стъпка може да отнеме много часове или дори дни.

Инженери от MIT вече са открили много по-бърз метод за възстановяване на тази вода. Вместо да разчитат на слънчева топлина, екипът използва ултразвукови вибрации, които „разклащат“ влагата и я освобождават, съобщава ScienceDaily.

Изследователите създадоха високочестотно ултразвуково устройство, което вибрира бързо. Когато водоабсорбиращ материал, наречен „сорбент“, се постави върху устройството, то изпраща ултразвукови вълни, настроени да разрушат връзките, които задържат водните молекули. Тестовете показват, че този подход освобождава водата за минути, докато системите, задвижвани от топлина, обикновено изискват десетки минути или няколко часа.

Тъй като не използва топлина, устройството се нуждае от източник на енергия. Екипът предлага малка слънчева клетка, която да осигурява електричество и да действа като сензор за откриване на момента, когато материалът е наситен. Системата може дори да се активира автоматично, когато се натрупа достатъчно вода. Така автоматизацията би позволила многократно събиране и освобождаване на вода през деня.

„Хората търсят начини да добиват вода от атмосферата, която може да бъде голям източник на вода, особено за пустинни региони и места, където няма дори солена вода за обезсоляване“, казва Светлана Борискина, главен научен сътрудник в катедрата по машиностроене на MIT. „Сега имаме начин да възстановяваме вода бързо и ефективно.“

Борискина и съавторите описват устройството в проучване, публикувано на 18 ноември в "Nature Communications". Водещ автор е Икра Ифтекхар Шуво, докторант в MIT по медийни изкуства и науки, заедно с Карлос Диас-Марин, Марвин Кристен, Майкъл Лербет и Кристофър Лием.

Групата на Борискина разработва материали, които взаимодействат с околната среда по иновативни начини. Наскоро те изследвали събирането на атмосферна вода (AWH) и как материалите могат да бъдат проектирани да извличат влагата ефективно. Дългосрочната цел е да се осигури надежден източник на питейна вода за общности, които нямат достъп до прясна или солена вода.

Както много други екипи, те първоначално предполагат, че системите за AWH, поставени на открито, ще събират влага през нощта и ще разчитат на слънцето през деня, за да я освободят чрез изпарение и кондензация.

„Всеки материал, който е много добър в улавянето на вода, не иска да се раздели с нея“, обяснява Борискина. „Затова трябва да вложите много енергия и ценни часове, за да извадите водата от материала.“

Идеята за по-бърз метод се появява, след като Икра Шуво се присъединява към групата. Шуво работи с ултразвук за носими медицински устройства и по време на разговори с Борискина осъзнават, че ултразвуковите вибрации могат значително да ускорят освобождаването на вода при събирането на атмосферна влага.

„Имаме голям проблем, който се опитваме да решим, а сега Икра изглежда има инструмент, който може да го реши“, спомня си Борискина.

Ултразвукът представлява акустични вълни с честота над 20 килохерца (20 000 цикъла в секунда). Тези високочестотни вълни са невидими и хората не могат да ги чуят. Екипът установява, че при правилната честота ултразвукът може да освободи водните молекули от материала, който ги задържа.

„С ултразвук можем прецизно да разкъсаме слабите връзки между водните молекули и местата, където са закрепени“, казва Шуво. „Все едно водата танцува с вълните, а това целенасочено смущение създава импулс, който освобождава молекулите, и виждаме как се разклащат и падат като капки.“

Шуво и Борискина изграждат ултразвуков актюатор специално за събиране на атмосферна вода. В центъра му има плосък керамичен пръстен, който вибрира при подаване на напрежение. Около него има друг пръстен с миниатюрни дюзи. Когато капките се отделят, те падат през дюзите в съдове за събиране, поставени над и под вибриращия пръстен.

Екипът тества устройството с вече разработени материали за AWH. Те поставят малки парчета сорбент в камера с различни нива на влажност, докато всяка проба се насити напълно. След това всяка проба се поставя върху актюатора и се обработва с ултразвук. При всеки тест актюаторът освобождава достатъчно влага, за да изсуши материала за минути.

Изследователите изчисляват, че ултразвуковият метод е 45 пъти по-ефективен от използването на слънчева топлина при извличане на вода от същия материал.

„Всичко опира до това колко вода можете да извлечете на ден“, казва тя. „С ултразвук можем да възстановяваме вода бързо и да повтаряме цикъла отново и отново. Това може да се натрупа до много вода на ден.“