Туманное дело глобального дефицита воды.

Установка для сбора тумана: 1. Датчик влажности. 2. Испытательная камера (3D-печать и лазерная резка) 3. Тензодатчик 1 4. Испытательная поверхность. 5. Электронные весы (тензодатчик 2) 6. Микрокамера 7. Влажный воздух. Источник.

Дефицит питьевой воды в цифрах: мировой океан занимает свыше 70% земной поверхности, что примерно составляет 1,35 млрд км³; только от 2,5 до 3% этого объёма ‒ пресная вода, почти 70% которой заперты в ледяных щитах Гренландии и Арктики и ещё около 29 представляют собой грунтовые воды разной степени пригодности.

От нехватки питьевой воды страдает более 40% мирового населения ‒ примерно 3 млрд 600 млн человек. Причин называется множество: от банального роста численности населения ‒ и, соответственно, потребления воды ‒ до экономических реалий, вызывающих миграции целых народов из засушливых регионов планеты. Сюда же можно отнести и научно-организационные моменты: от нехватки эффективных методов очистки вод вследствие высокой стоимости их внедрения до роста числа предприятий, требующих колоссальных расходов пресноводных ресурсов.

Сегодня ведётся множество исследований на тему добычи воды не только из ледяных запасов и недр, но и, в том числе, получения её из воздуха. Во втором случае основное направление научной мысли отталкивается от свойства влаги конденсироваться на поверхности при разности температур окружающего воздуха и самой этой поверхности. Множество исследователей занято в этой сфере, поскольку к системам сбора водяного пара из воздуха и превращения его в жидкость предъявляется множество требований: они должны быть экологичны и недороги; просты в монтаже, эксплуатации и возможном ремонте, а также легко масштабируемы.

Майкл Тэм, профессор Университета Ватерлоо, вместе со своими аспирантами И Ван и Вэйнань Чжао добились на этом поприще внушительных успехов, разработав мембраны с большой площадью поверхности, которые, как губки, постоянно улавливают влагу из окружающей среды.

Для большей устойчивости своих технологий, профессор Тэм работает с веществами с нулевым выбросом углерода ‒ таких как натуральные и растительные материалы. Его группа разрабатывает решения, которые в состоянии улавливать и отталкивать капли воды благодаря возможностям науки в сфере межфазных границ и нанотехнологий. Ранее учёный успешно разработал супергидрофобную и водонепроницаемую бумагу. Сегодня он занят разработкой умной настраиваемой поверхности, которая улавливает воду из воздуха и осушает её с минимальным потреблением энергии.

Традиционно пресную воду для потребления собирают из рек, озёр, подземных вод и океанов (с очисткой), а также конденсированием в глубоких колодцах. Но технологии, которые разрабатывает доктор Тэм с командой, идут несколько другим путём. А всё потому, что найденные решения подсмотрены учёными у живой природы.

«Паутина ‒ это чудо инженерной мысли, ‒ говорит заведующий кафедрой университетских исследований в области функциональных коллоидов и устойчивых наноматериалов профессор Тэм. ‒ Вода эффективно улавливается паутиной. Пауку не нужно идти к реке, чтобы напиться, поскольку он улавливает влагу из воздуха».

Точно так же жуки пустыни Намиб, не имея доступа к воде, добывают её из воздуха: наклоняясь навстречу ветру, они улавливают живительные капли воды из тумана своим текстурированным бронежилетом, что позволяет влаге скапливаться в более-менее крупные капли, которые просто стекают насекомому в рот.

Руководствуясь этими фактами, исследовательская группа занялась биомиметической разработкой поверхности для устойчивого сбора воды. Биомиметика ‒ инженерная дисциплина, занимающаяся искусной имитацией оригинальных природных объектов. Именно благодаря ей медицина сегодня практикует протезирование без отторжения имплантов живыми природными тканями ‒ будь то кости или зубы, клапаны сердечно-сосудистой системы и многое другое. Вообще, недавние достижения в регулировании свойств поверхностей материалов привлекают всё большее внимание во всех сферах деятельности. Свой интерес они представляют и в сборе воды из тумана, росы, просто влажного воздуха и даже испарений под действием солнечного тепла.

Одну из прорабатываемых технологий команда назвала «сбором атмосферной воды». Суть её заключается в попытке сымитировать уникальную структуру поверхности жука ‒ ведь именно она позволяет улавливать крошечные капли воды и быстро собирать их в более крупные. Оказалось, что аналогичную структуру получается воспроизвести посредством стабилизированной целлюлозой восковой эмульсии.

Предлагаемые профессором и его коллегами системы получились экологически безопасными, недорогими и довольно эффективными по энергозатратам. Так что сегодня можно утверждать, что для внедрения в эксплуатацию у технологии остался всего один шаг: разработка масштабируемости процессов проектирования и производства таких поверхностей.

Сегодня есть множество способов собирать влагу из воздуха, и, тем не менее, они не могут полностью нивелировать дефицит пресной воды, который уже на нашем веку рискует вырасти из локальной проблемы некоторых регионов до глобального статуса. И всё же, благодаря исследованиям, подобным этому, мы имеем ‒ пусть далеко не везде ‒ солнечные испарительные системы, которые напрямую собирают солнечную энергию, поглощают влагу и испаряют её; интеллектуальные биомиметические конструкции для испарения под действием солнечных лучей, вдохновлённые уникальными грибовидными структурами; простые колодцы, собирающие влагу на свои холодные стенки где-нибудь в засушливых районах; ультрапористые мембраны, представляющие собой металлоорганические каркасы со внушительными показателями эффективности.

Проблема изменения климатических условий стимулирует развитие всепогодных технологий сбора воды, и ценность данной попытки обозреть конструктивные возможности поверхностей и манипуляций с активными компонентами в том, что её результаты могут заметно продвинуть человечество в улучшении сложившейся ситуации с обеспечением питьевой водой.  Настройка поведения капель воды в различных системах её сбора, почерпнутая у самой природы, обогащает наши средства достижения этого благополучия. Критический обзор смачиваемости поверхности, структуры и составов, используемых различными насекомыми и растениями для управления их потребностями в воде предлагает нам конкретные, уже практически готовые решения.

Воспользуемся ли мы открывающимися возможностями – вопрос во многом риторический. Сегодня полностью обеспечена пригодной для употребления водой только треть человечества. Разной же степени доступ к чистой воде на 2020 год имели 74% жителей планеты, а 20-ю годами ранее ‒ только 62%. Это, конечно, не может не радовать, но обратите внимание: оставшиеся 26% населения до сих пор не имеют такой возможности. А ведь это более 2 млрд человек.

С другой стороны, существует также проблема с достаточной степенью очистки воды. Так, ежегодно, болезнями из-за ненадлежащего качества воды, санитарии и плохой гигиены вызывается более 800 тысяч смертей. И только 60% водных объектов мира, по которым были представлены данные в докладе ООН этого года о водных ресурсах, «отнесены к категории имеющих воду "хорошего качества"». Помимо этого, 80% сточных вод возвращаются в экосистему без очистки, а 70% мирового водозабора отводится на нужды сельского хозяйства.

«По предварительным данным, ‒ говорится в докладе, ‒ в ближайшие десятилетия потребности городских районов в водоснабжении возрастут на 80%. В последние годы была взята на вооружение стратегия обеспечения горожан питьевой водой, предназначенной для сельского хозяйства. Эти меры в целом являются успешными для городов, тогда как сельское хозяйство и сельские районы сталкиваются с <…> нехваткой воды, предназначенной для ирригации, что ведёт к падению уровня продовольственной безопасности».

Замкнутый круг, если не принимать соответствующих мер и разбрасываться возможностями. И ещё одно красноречивое соображение по решению этой проблемы ООН поместила в названии статьи по докладу на своём сайте: «преодолеть водный кризис можно только сообща».

АРМК, по материалам University of Waterloo, ООН.