Учёные из Яньшаньского университета, Цзилиньского университета и Яньчэнского технологического института в Китае совместно с коллегами из Лиссабонского университета разработали установку, способную одновременно собирать воду из тумана и вырабатывать электроэнергию. В отличие от большинства существующих конструкций, новое устройство объединяет обе функции в единой системе.
При создании разработки исследователи вдохновлялись сразу несколькими природными механизмами. Первым стал принцип, используемый жуком из пустыни Намиб, который собирает влагу благодаря сочетанию гидрофильных и гидрофобных участков на панцире. Вторым – коническая форма колючек кактуса, создающая градиент кривизны и направляющая каплю воды к основанию. Третьим источником вдохновения послужило непентес (кувшиночник) – хищное растение со скользкой поверхностью, покрытой микроуглублениями, по которым жидкость может быстро перемещаться практически без сопротивления.
Как устроена установка
С помощью лазера учёные нанесли на титановую пластину разветвлённый дендритный рисунок с клиновидными микроканалами. Затем, используя нагрев и ультрафиолетовое излучение, на поверхности сформировали участки с разной смачиваемостью – от супергидрофобных (отталкивающих воду) до супергидрофильных (где капля мгновенно растекается).
Мелкие капли тумана оседают на гидрофильных боковых ветвях и постепенно сливаются в более крупные. Благодаря разнице давления Лапласа и капиллярным силам капли самостоятельно движутся к центральному каналу и стекают вниз. Гравитация и градиент смачиваемости помогают воде быстро скользить по поверхности, не образуя сплошной плёнки, которая обычно снижает эффективность сбора тумана.
Высокая эффективность сбора воды
Лучшие результаты показала поверхность, сочетающая два типа микроструктур: скорость сбора влаги достигла 9,7 г воды на квадратный сантиметр в час. Это примерно в 4,3 раза больше по сравнению с необработанной титановой поверхностью и более чем в два раза больше по сравнению с обычными гидрофильными покрытиями.
Собранная вода под действием силы тяжести попадает на поверхность капельного трибоэлектрического наногенератора. Его рабочий слой выполнен из композита на основе MXene и полидиметилсилоксана. Когда капля ударяется о поверхность генератора, она деформируется и вызывает перераспределение электронов между слоями материала, в результате чего возникает короткий электрический импульс.
Учёные подобрали оптимальные условия работы: высота падения капли около 25 см, угол наклона поверхности 45° и объём капли около 30 микролитров. В таком режиме генератор выдавал напряжение до 5 В и ток около 0,25 микроампер. Система выдержала более тысячи рабочих циклов без заметного ухудшения характеристик.
Практические испытания
Для демонстрации работы исследователи собрали модуль площадью около 0,35 м², состоящий из 25 элементов для сбора тумана и встроенного генератора. В лабораторных условиях, имитирующих густой туман, установка собрала около 1,6 л воды за 10 часов – примерно 83% суточной потребности человека в питьевой воде для засушливых регионов. Одновременно система вырабатывала достаточно электроэнергии для питания светодиода, который может использоваться, например, для дополнительного освещения растений.
В ходе эксперимента учёные использовали собранную воду для выращивания ячменя. Семена начали прорастать через 48 часов, а через неделю ростки, орошаемые водой, полученной установкой, заметно обогнали по высоте контрольную группу без полива.
Перспективы применения
Анализ климатических данных показывает, что новая технология особенно подходит для регионов с высокой влажностью воздуха, но нерегулярными осадками, например, для Сальвадора или Бангкока, где относительная влажность может достигать 96%. По оценкам исследователей, в этих городах установка сможет производить 4,6 л воды на квадратный метр поверхности в день.
Источник: Ассоциация «Глобальная энергия»