Как пить из огромных озёр в воздухе? Добыча пресной воды из воздуха

Весь воздух, от засушливых пустынь до влажных городов, содержит водяной пар-во всем мире, по оценкам, 3100 кубических миль (12 900 кубических километров) воды приостанавливается как влажность в воздухе вокруг нас. Это больше, чем вся вода в озере Верхнее, крупнейшем озере в Северной Америке (11600 куб. км) или пяти озерах Виктория (великое озеро Африки, 2700 куб. км). Или целых 418 раз объем лох-Несс.

Но мы не говорим об облаках. Это влажность воздуха, которым мы дышим, которая появляется снова, как капельки воды на боку холодного напитка, или как утренняя роса на травинках. И идет технологическая гонка, чтобы собрать его в качестве питьевой воды. Если появляющиеся устройства "вода из воздуха" (WFA) могут взломать его, это может пройти долгий путь к решению проблемы пресной воды в мире.

По прогнозам, к 2025 году две трети (быстро растущего) населения мира будут жить в условиях острой нехватки воды. Уже 2,1 миллиарда людей живут без чистой питьевой воды. Самые бедные в мире переплачивают за воду, которая, как они знают, небезопасна, но у них нет другого выбора, кроме как пить. Загрязненная питьевая вода ежегодно вызывает полмиллиона случаев смерти от диареи. В то время как в более богатых странах, которые потребляют больше воды, чем более бедные страны, из – за интенсивного сельского хозяйства и промышленности, вода из подземных акваторий и речных бассейнов истощается быстрее, чем пополняется.

Кроме того, существует проблема доверия, так как граждане сомневаются в качестве воды, которую власти считают безопасной. В городе Флинт, штат Мичиган, было обнаружено, что водопроводная вода содержит радиоактивные материалы, мышьяк и свинец. Потребители среднего класса вместо этого обращаются к бутилированной воде. С 2013 года мировой рынок бутилированной воды ежегодно растет на 10%, достигнув 391 миллиарда литров, проданных в 2017 году (это более 150 000 бассейнов Олимпийских размеров).

Жизнеспособный внесетевой источник пресной воды крайне необходим как для сокращения заболеваемости и нищеты, так и для обеспечения высокой привлекательности для более богатых потребителей.

Вытягивание воды из тонкого воздуха вряд ли является новой концепцией - у вас может быть машина для осушителя дома, которая делает именно это. Но вода, которую он захватывает, не чиста, не содержит полезных ископаемых, которые нам нужны, а требуемая энергия нереалистична для удовлетворения потребностей в воде в домашних хозяйствах, не говоря уже об общинах.

Однако есть несколько компаний, которые адаптируют технологию осушения для питьевой воды. Механические осушители содержат охлажденные металлические катушки, заполненные газом хладагента, подобно кухонному холодильнику с морозильной камерой, который создает искусственную точку росы (температура, при которой водяной пар в воздухе насыщается, превращается из газа в жидкость, например бисер на стороне вашего ледяного напитка). Водяной пар, поступающий в машину WFA, конденсируется на охлажденной катушке таким же образом, но после его сбора он фильтруется, стерируется ультрафиолетовым светом, минерализуется и хранится в емкости для пищевых продуктов, готовой к употреблению.

Roland Wahlgren, канадский консультант по воде, ведет обновленный каталог последних нововведений WFA на своем веб-сайте Atmoswater.com. Из 71 активных компаний в его базе данных 64 сосредоточены на механическом охлаждении, что делает его доминирующей технологией на рынке. По мнению Валгрена, типичное потребление энергии составляет около 0,4 киловатт-часа на литр (что составляет 5,2 цента США при текущих ценах на электроэнергию в США).

Рассмотрим южноафриканскую фирму Water from Air, которая делает охладитель воды WFA для домов, способных производить 32 литра воды в день. Преимущество перед традиционными водоохладителями - вам не нужно постоянно заменять пластиковые бочки для воды - это продолжает пополняться из, ну, тонкого воздуха. Или индийская компания WaterMaker, которая продает ассортимент от небольших единиц до крупных моделей грузовых автомобилей, «идеально подходящих для деревень [и] закрытых сообществ».

Тем не менее, существуют некоторые важные условия для того, чтобы многие из этих устройств функционировали в лучшем виде. Эффективность, например, часто зависит от относительной влажности - количества воды, присутствующей в воздухе, в процентах от количества, необходимого для достижения насыщения. Для большинства устройств эта цифра превышает 60% для оптимального функционирования, что прекрасно, если вы живете в Коста-Рике, где влажность нередко составляет 90% и более, но не так хорошо, если вы живете в Иране, где она может упасть до 17%. Но новая британская компания Requench выходит на рынок в конце этого года (2018 год) с единицей, буквально размером с транспортным контейнером, и, как сообщается, она может функционировать при относительной влажности всего 15%. Прототип производит 2000 литров в день во влажных условиях и не менее 500 литров даже в сухом климате.

Другое решение может исходить из совершенно другой технологии WFA. Вместо холодильных катушек материал «влагопоглотителя» поглощает воду из воздуха, как химическая губка, не нуждаясь в энергии для этого. Эта технология только недавно появилась из R & D в коммерческих продуктах, говорит Уолгрен: «Системы осушителя могут быть изготовлены из менее дорогостоящих материалов, поэтому ценовая точка для одной и той же мощности по производству воды может быть ниже ... [и может] работать с более низкой влажностью чем механические осушители ».

Zero Mass Water была основана Коди Фризеном, доцентом материаловедения в Аризонском государственном университете, в 2014 году. Его продукт «Источник» использует осушитель внутри небольшой солнечной панели на крыше, которую он называет «гидропанель».

«Наш осушитель был разработан внутри моей исследовательской группы в Аризонском государственном университете», - объясняет Фризен, чье детство в пустыне Аризоны придавало ему естественную близость к сохранению воды. «Вам нужно что-то, что поглощает воду при сверхнизкой влажности, даже влажность 5%. Например, когда вы покидаете крышку с сахарной чаши, она становится немного комковатой. Сахар является естественным осушителем, но он делает это очень медленно. А теперь представьте, что этот материал очень быстрый ».

Его материал является коммерческой тайной, но он может сказать, что он включает в себя смесь хлорида лития и органических ионов. Сама панель солнечных батарей содержит некоторый фотовольтаический материал, в котором работает небольшой вентилятор, чтобы вытягивать воздух через систему, но он в значительной степени является солнечной теплой - это испаряет воду из «химической губки», чтобы ее можно было конденсировать и собрать. Он не нуждается в охлажденной катушке, чтобы конденсироваться, потому что она может использовать внешнюю температуру окружающей среды, которая является более прохладной, чем тепло внутри солнечной теплоты.

Начиная с 4000 долларов (около 3,100 фунтов стерлингов), Source производит в среднем 3-5 литров в день, что намного меньше механических хладагентов. Но он намного менее энергоемкий, требуя только 100 Вт солнечной энергии вне сети (по сравнению с водоохладителем Water From Air, для которого требуется 500 Вт мощности и влажности 80-95% для производства 25-30 литров, день). Разработанный, чтобы выглядеть хорошо, а также делать добро, Фризен хочет, чтобы источник обратился к тем потребителям, которые уже тратят сотни долларов в год на воду в бутылках. «Половина триллиона литров бутилированной воды продается по всему миру каждый год. Пусть это число опустится », - говорит он. «Углеродный след, связанный с этим, пластический след, просто массивный».

После пяти лет владения средняя цена за литр от Источника составляет около 16 центов, заменяя около 30 000 500 мл пластиковых бутылок. Его крупнейшими покупателями до сих пор были сельские усадьбы в США и Австралии, но он также продавался школам в Мексике, приюте для сирот в Ливане и пожарной службе в Пуэрто-Рико. (После урагана 2017 года один пожарный сказал Фризене: «После того, как военные уйдут ... единственная питьевая вода, которую мы будем иметь, будет такой».)

Но есть еще один подход WFA, который требует нулевого электричества - солнечного или иного - и предназначен для самых бедных регионов мира. В сельской Эфиопии, Того, и вскоре Гаити, стоит около 10-метровой башни «Варка». Выглядя, как что-то из фестиваля Гластонбери, гигантская вазообразная бамбуковая рамка поддерживает сотни квадратных метров тонкой полиэфирной сетки. Сетка собирает утренний туман и стекает в подземный резервуар через систему фильтрации на основе камня. Итальянский архитектор позади этого, Артуро Виттори, получил идею при проектировании лунной базы для НАСА. «Когда вы разрабатываете такие экстремальные условия, как космическое пространство, вам нужно принести воду с Земли, а затем переработать и повторно использовать воду в закрытой системе», - объясняет Виттори. «То же самое происходит на планете Земля - ​​водный цикл делает это естественно для нас».

Первая башня Варка была установлена ​​в Эфиопии в 2015 году. Когда наступают сезонные туманы, башня постоянно производит воду. «Но даже когда дождя нет и нет тумана, ночная конденсация все еще происходит», - говорит Виттори. «Емкость [нашего] резервуара для воды колеблется от 1600 литров до 100 000 литров». Башня была построена местными жителями с использованием традиционных методов и бамбука, местного материала. «Сейчас в Гаити и Того мы экспериментируем с другими материалами ... включая пальмовые листья.« Башня Warka - это «другой подход» к WFA, он говорит: «Это понимание местных традиций и материалов ... Это много больше, чем машина, поставленная на задней части грузовика. Это нулевая энергия, механических частей нет, все под действием силы тяжести, воздухом, ветром ».

Однако такая сборка росы опирается на очень высокую влажность и туман. Валгрен утверждает, что этот подход, также известный как «радиационное охлаждение», «чрезвычайно специфичен для конкретного объекта ... есть только ограниченное количество сайтов на Земле, которые подходят». Для этих ограниченных сайтов подход Warka замечателен - его легко поддерживать, используя те же местные навыки и материалы, которые использовались для его поднятия. Виттори надеется, что местные ремесленники продолжат строить больше в окружающих городах и деревнях без его участия. Но если конечная цель состоит в том, чтобы обслуживать 2,1 миллиарда человек, не имеющих доступа к чистой воде, то Warka Towers никогда не может быть решением самостоятельно.

По оценкам Виттори, одна (меньшая) башня удовлетворяет потребности в воде около 50 человек, а первоначальная стоимость строительства - от 3000 долларов (для башни 5 м). Большая башня высотой 25 метров стоила бы 30 000 долларов и могла бы поставлять примерно 250 человек (хотя это явно привело к значительным изменениям ландшафта). В самые сухие ночи Башня не добавляет воды в резервуар ниже. Между тем хладагенты и осушители могут постоянно собирать воду в гораздо большем объеме - они могут не быть нулевой энергией, но солнечные решения, такие как Zero Mass Water, могут быть нейтральными по отношению к энергии и вне сети. В ближайшем будущем они могут стать основными поставщиками пресноводных ресурсов.

И может быть много новых инноваций. Международное инновационное соревнование XPRIZE, которое в предыдущие годы охватило ИИ и суборбитальный космический полет, в настоящее время предлагает 1,75 млн. Фунтов стерлингов (примерно 1,4 фунта стерлингов) за лучшее новое изобретение для «сбора свежей воды из воздуха». Есть даже предположения, что WFA можно увеличить до размеров опреснительных установок или солнечных ферм.

Могут ли области WFA иметь недостатки? Может ли это повлиять на местное ливень и образование облаков? Говоря со мной из Аризоны, Фризен смеется. Даже если бы каждый человек имел устройство WFA, он говорит, что он даже не будет использовать весь водяной пар, который поступает из паров дыма, «поэтому у нас нет проблемы с приближением любого приближения к воздействию метеорологических систем». Возможно, теперь снова стали странными перегруженные холодильники, химические губки и гигантские бамбуковые башни, собирающие воду из воздуха. Но наша нынешняя система подземных вод терпит неудачу, и нам нужны новые решения.