Нурлан Каримов 
Новаторская разработка австралийских и китайских ученых обещает обеспечить доступ к чистой питьевой воде буквально из воздуха даже в самых засушливых уголках планеты. В основе технологии лежит уникальный материал на основе обработанной древесины, способный не только поглощать влагу из атмосферы, но и высвобождать ее под воздействием солнечного света, даря надежду на решение проблемы растущего дефицита водных ресурсов в мире.
Устройство, изготовленное из обработанной древесины бальзы, функционирует подобно высокотехнологичной губке. Оно улавливает влагу из воздуха, а при нагревании солнечными лучами высвобождает ее в виде чистой воды, собираемой в специальную емкость. Примечательно, что система сохраняет работоспособность даже при низкой влажности и отрицательных температурах, что выгодно отличает ее от многих аналогов, неэффективных в подобных условиях.
Ключевым элементом технологии является композитный материал, состоящий из древесины, хлорида лития и светопоглощающей поверхности из углеродных нанотрубок. Эти компоненты образуют прочную пористую структуру, способную адсорбировать водяной пар из воздуха при относительной влажности от 30% до 90%, что делает разработку применимой в разнообразных климатических зонах.
Под воздействием солнечного света материал-губка нагревается, что приводит к испарению поглощенной воды. Затем пар конденсируется и собирается в контейнере, становясь пригодным для питья.
Лабораторные испытания продемонстрировали, что материал способен высвободить почти всю абсорбированную воду в течение 10 часов пребывания на солнце. При влажности всего 30% он извлекал около 0,6 миллилитра воды на грамм материала из воздуха, а при влажности 90% этот показатель достигал примерно 2 миллилитров на грамм.
Дефицит пресной воды становится все более острой глобальной проблемой, затрагивающей почти 80% населения планеты. Традиционные методы, такие как сбор тумана или радиационное охлаждение, часто оказываются малоэффективными в засушливых регионах. В этом контексте особую значимость приобретают технологии сбора атмосферной воды (AWH), которые извлекают воду непосредственно из воздуха, не завися от рек, озер или подземных источников.
Использование древесины в качестве основы для губчатого материала является стратегически верным решением. Древесина от природы пориста и содержит множество каналов, способных удерживать воду. Кроме того, она биоразлагаема, дешева и широко доступна. Исследователи остановили свой выбор на древесине бальзы из-за ее уникальной губчатой структуры, позволившей создать стабильный и многоразовый материал.
Хлорид лития, соль, применяемая в устройстве, известна своей способностью поглощать воду даже при низкой влажности. Однако в порошкообразном виде он склонен к комкованию и утечкам. Внедрение хлорида лития в древесную матрицу позволило ученым избежать этих проблем и создать стабильную систему для абсорбции и хранения воды.
Разработка была усовершенствована с помощью искусственного интеллекта. Исследователи применили методы машинного обучения для точной настройки конструкции и прогнозирования эффективности материала в различных условиях окружающей среды. Модели, основанные на алгоритмах «случайный лес» и «долгая краткосрочная память» (LSTM), продемонстрировали высокую точность в предсказании как скорости поглощения, так и высвобождения воды. Одна из лучших моделей достигла точности прогнозирования скорости абсорбции с коэффициентом детерминации R² равным 0,988.
Анализ с использованием метода Shapley Additive Explanations показал, что на эффективность материала влияют три основных фактора: продолжительность абсорбции влаги, содержание соли и относительная влажность воздуха. При этом температура, вопреки ожиданиям, играет менее значительную роль.
Использование этих моделей позволило исследователям наглядно представить, как незначительные изменения условий влияют на сбор воды. Это открывает возможности для более быстрой и точной разработки будущих усовершенствований, сокращая необходимость в многочисленных экспериментах в лабораторных условиях.
Одним из наиболее впечатляющих качеств разработанного устройства является его долговечность. В ходе полевых испытаний оно собирало до 2,5 миллилитров воды на грамм материала за ночь, а затем высвобождало большую часть этой воды в течение дня, достигая суточной эффективности сбора воды на уровне 94%. Устройство успешно выдержало 10 циклов поглощения и высвобождения воды со снижением производительности менее чем на 12%.
Даже после хранения при температуре –20 °C в течение 20 дней губчатый материал сохранил способность поглощать воду и функционировать должным образом. Такая морозостойкость делает его особенно ценным для использования в чрезвычайных ситуациях в холодных климатических условиях.
Исследование возглавил доктор Дерек Хао из RMIT University в Мельбурне при поддержке доктора Цзюньфэна Хоу из Zhejiang A&F University и пяти других китайских исследовательских институтов. Хао говорит, что разработка сочетает в себе материалы, вдохновленные природой, и интеллектуальную инженерию. Он добавляет, что простая структура устройства позволяет наладить его массовое производство и использовать в удаленных или пострадавших от стихийных бедствий районах.
Каждый элемент губчатого материала невелик – всего 15 кубических миллиметров, однако путем объединения нескольких таких кубов или масштабирования системы можно собирать значительно большие объемы воды. Устройства могут быть объединены в массивы и работать исключительно на солнечной энергии, не требуя батарей или подключения к электросети.
В настоящее время исследователи ведут переговоры с промышленными партнерами о запуске пилотного производства. Хао отмечает, что интеграция устройства с солнечными панелями и интеллектуальными датчиками может обеспечить его круглосуточную работу. По его словам, датчики смогут отслеживать температуру воздуха, влажность и солнечную энергию для оптимизации работы системы.
Хао предвидит появление еще более «умных» моделей в будущем. Он полагает, что благодаря усовершенствованным платформам проектирования, управляемым ИИ, исследователи смогут тестировать новые комбинации материалов без длительных лабораторных экспериментов, что ускорит инновации и приведет к созданию более эффективных, дешевых и лучше адаптированных к различным климатическим условиям устройств.
Данный прорыв основан на многолетних исследованиях новых материалов для сбора атмосферной воды. Многие научные группы тестировали гидрогели, аэрогели и композитные материалы с целью улучшения характеристик улавливания воды. Эти материалы сочетают соли с гибкими матрицами, такими как целлюлоза, гуаровая камедь и даже бактериальная целлюлоза, демонстрируя более высокую абсорбционную способность и легкость высвобождения воды по сравнению с традиционными материалами вроде силикагеля или цеолита.
Некоторые из последних разработок используют натуральные материалы, такие как люфа, пыльца рапса и альгинат натрия, для создания экологически чистых и эффективных губок. Эти материалы также способны биоразлагаться после использования, снижая вредное воздействие на окружающую среду.
Тем не менее, многие из ранее предложенных методов сопряжены с дорогостоящим или сложным производством. Новая древесная губка предлагает более простое и дешевое решение. Сочетание доступности, производительности и интеллектуального дизайна делает ее одной из самых перспективных технологий для преодоления мирового водного кризиса. Результаты исследования опубликованы в онлайн-версии журнала Journal of Cleaner Production.
