Вчені створили гібридну туманну арфу для збору води

Посушливі прибережні регіони, схильні до утворення туману, є ідеальними місцями для встановлення пристроїв збору води з туману, особливо під час тривалих посух. Однак стандартні технології схильні до засмічення. Вчені з Технологічного інституту Вірджинії створили покращену версію своєї попередньої альтернативної конструкції «туманної арфи» для вирішення цієї проблеми, згідно з новою статтею, опублікованою в Journal of Materials Chemistry A.

Збір туману або збір роси є давньою практикою, яка сягає часів інків, які розміщували відра під деревами для збору конденсату. Цю практику також використовують певні комахи, зокрема жуки пустелі Наміб, які виживають завдяки воді, що конденсується на їхніх крилах. Крила мають чергові гідрофільні та гідрофобні ділянки для покращення конденсації. Сучасні збирачі туману зазвичай являють собою сітчасті сітки, встановлені на рамах з жолобом або басейном знизу. Як і крила жука, сітчасті нитки хімічно покриті, щоб бути гідрофобними або гідрофільними.

Ефективність цих збирачів води залежить від зменшення розміру ниток та отворів сітки. «Якщо отвори були занадто великими, мікроскопічні краплі проходили б крізь них, і вони не збирали б багато води», розповів співавтор Джеймс Каїнду, студент лабораторії дослідника Джонатана Борейко з Технологічного інституту Вірджинії. Компроміс полягає в тому, що менші нитки та отвори більш схильні до засмічення. «Якщо вони були занадто маленькими, краплі зливалися б і створювали водяну плівку на них», сказав Каїнду. «Це перешкоджало б потоку і діяло як бар'єр, що драматично впливало б на ефективність захоплення».

Саме тому група Борейка придумала туманну арфу в 2018 році. Як випливає з назви, туманна арфа складається з рами, що тримає вертикальні дроти без перехресних горизонтальних. Вона була натхненна каліфорнійськими секвоями, які отримують до 35 відсотків свого річного споживання води з туману, що стікає з паралельних масивів голкоподібного листя дерев.

Конструкція дуже добре працювала в лабораторії під час тестування масштабних моделей, збираючи від двох до семи разів більше води, ніж сітчасті сітки. Але потім вони випробували свою конструкцію в затоці Монтерей. Це реальне розгортання вимагало більших версій порядку 1 метр на 1 метр або 3 на 3 фути. У такому більшому масштабі поверхневий натяг стає проблемою, і вертикальні нитки починають склеюватися, «як ваше волосся, коли воно склеюється водою», сказав Каїнду. І знову спостерігається зниження ефективності збору.

Найкраще з обох світів

Тому команда вирішила знайти золоту середину, поєднавши елементи традиційної сітки з туманною арфою для створення гібридної версії: по суті, серія малих масштабних моделей туманних арф, складених одна на одну, розділених випадковими поперечними опорними дротами. Борейко порівнює структуру з грифом гітари з чітко окресленими ладами. Це усунуло проблему склеювання для отримання бажаної ефективності збору води.

За словами Каїнду, команда випробувала варіації концепції в лабораторії, від стандартних сітчастих сіток на одному кінці з їхніми численними з'єднаннями до оригінальної туманної арфи на іншому крайньому кінці без жодних. Між ними були версії зі ста з'єднаннями, 10 з'єднаннями, п'ятьма з'єднаннями та трьома з'єднаннями. Усі були підвішені в повітрі та обдувалися туманом з ультразвукових зволожувачів.

Далі вони вимірювали масу зібраної води після певного періоду часу, щоб отримати загальну ефективність — частку всієї туманної води в повітрі відносно того, скільки було захоплено — для кожної варіації. Покращена гібридна туманна арфа збільшила ефективність збору туману в 2−8 разів порівняно з чистими сітчастими збирачами туману та оригінальною туманною арфою, залежно від інших змінних. Конструкції з трьома та п'ятьма з'єднаннями виявилися оптимальними для найвищої ефективності.

На відміну від стандартних технологій збору туману, «ми намагаємося використовувати розумні геометричні конструкції замість хімії», розповів Борейко. «Коли я вперше прийшов у цю галузь, практично всі використовували сітки, але вони просто намагалися створювати все більш розумні хімічні покриття для нанесення на сітки, щоб спробувати зменшити засмічення. Ми виявили, що простий перехід від сітки до арфи, без жодних хімікатів або покриттів — лише зміна геометрії вирішила проблему засмічення набагато краще».

Для своїх масштабних прототипів у лабораторії команда Борейка надрукувала на 3D-принтері свої «струни» арфи зі слабко гідрофобного пластику. «Але загалом арфа працює фантастично з непокритими дротами з нержавіючої сталі і точно не потребує жодного модного покриття», сказав Борейко. І гібридну арфу можна масштабувати з відносною легкістю, як і класичні сітки. Це просто означає з'єднання купи арф меншої висоти, метр за метром, щоб отримати бажаний розмір. «Немає обмежень щодо того, наскільки великою ця річ може бути», сказав він.

Масштабування моделі є наступним очевидним кроком разом з тестуванням більших прототипів на відкритому повітрі. Борейко також хотів би випробувати електричну версію гібридної туманної арфи. «Якщо ви прикладете напругу, виявляється, що ви можете зловити ще більше води», сказав він. «Оскільки наш гібрид не засмічується, ви можете мати найкраще з обох світів: використовувати електричне поле для збільшення кількості збору в реальних системах і водночас запобігати засміченню».

Хоча гібридна туманна арфа добре підходить для збору води в будь-якому прибережному регіоні, який отримує багато туману, Борейко також бачить інші, менш очевидні потенційні застосування для високоефективних збирачів туману, такі як дороги, автомагістралі або злітно-посадкові смуги аеропортів, які схильні до туману, що може становити загрозу безпеці. «Навіть промислові виробники хімічних речовин створюють такі речі, як стиснений азот», сказав він. «Процес охолоджує навколишнє повітря в крижаний туман, який може дрейфувати через вулицю і завдавати шкоди міським кварталам».