Vége lehet a sivatagi vízínségnek

Az amerikai fejlesztésű készülék, amely a sivatagi levegőből is képes vizet kivonni, talán egyszer és mindenkorra megoldja a Föld száraz területeinek ivóvíz-problémáit.

Amerikai kutatók olyan, fémorganikus vegyületeken alapuló berendezést fejlesztettek ki, amely pusztán a napból nyert energiával a száraz levegőből is napi több liter vizet képes kivonni. A vízgyűjtőt a kaliforniai Berkeley Egyetemen kidolgozott speciális fémorganikus mátrix felhasználásával a Massachusetts Institute of Technology (MIT) munkatársai állították elő, és a Science e heti számában mutatták be a nagyközönségnek.

A berendezés akár 20 százalékos páratartalom mellett is működik, ami alkalmassá teszi a sivatagos területek ivóvízellátásának biztosítására.

A Szahara levegőjének átlagos páratartalma például 25 százalék körül mozog.

„A víz kivonása az alacsony páratartalmú levegőből régóta megoldatlan kihívást jelentett. Ezen a területen hoz jelentős áttörést a berendezés – nyilatkozta Omar Yaghi, a Berkeley vegyészprofesszora és a Science-cikk két fő szerzőjének egyike. – A korábbi technológiákkal erre csak külső energia befektetése mellett volt lehetőség. Az otthoni légpárátlanítók valójában rettentő drága vizet állítanak elő.”

Forrás: AFP

Laboratóriumon kívül is hatékonyan működik

A készülék prototípusa 20-30 százalékos légpáratartalom mellett, 12 óra leforgása alatt, egy kilogramm fémorganikus mátrix felhasználásával 2,8 liter vizet von ki a levegőből. Az MIT tetőteraszán végzett kísérletek igazolták, hogy a vízgyűjtő „élesben", laboratóriumi körülményeken kívül is kitűnően megállja a helyét.

„Az egyik víziónk a jövőre nézve az, hogy a vezetékes hálózattól független vízellátást biztosítsunk valamennyi háztartás számára.

Egyetlen berendezés kizárólag a nap energiáját hasznosítva képes lehet fedezni egy háztartás teljes vízigényét"

– mondta el Yaghi, aki tanszékvezetői pozícióján kívül alapító igazgatója a Berkeley Global Science Institute-nak, valamint társigazgatója a Kavli Energy NanoSciences Institute-nak és a BASF vegyészeti óriás által létrehozott California Research Alliance-nek. – Számomra ez a kísérlet a bizonyíték rá, hogy az álom valóra válhat. Én csak »személyre szóló víz«-nek hívom ezt az elképzelést.”

Több mint húsz évvel ezelőtt Yaghi volt az, aki feltalálta a fémorganikus mátrixokat (FOM-eket), amelyekben fémeket – például magnéziumot vagy alumíniumot – szerves molekulákkal kombinálnak. A kémiai barkácsjátékkal összeszerkesztett szilárd, porózus struktúrák kiválóan alkalmasak gázok és folyadékok tárolására. Yaghi nyomdokain járva az elmúlt két évtizedben világszerte több mint 20 ezerféle FOM-et fejlesztettek ki kutatók.

A készülék Forrás: MIT photo from laboratory of Evelyn Wang

Akadnak közöttük, amelyeket gázok biztonságos és hatékony tárolására használnak: a BASF-nél például Yaghi egyik FOM-jét a biogázzal hajtott kamionok üzemanyagtartályában hasznosítaná, miután a kísérletek megmutatták, hogy a mátrixszal töltött tankok háromszor annyi metán tárolására képesek, mint amennyit egy hagyományos üzemanyagtartályba nagy nyomáson bele lehet préselni. Más FOM-ek füstgázokból kötik meg a szén-dioxidot, kémiai reakciókat katalizálnak a rajtuk megkötődött vegyületek között, és kőolajkomponenseket választanak szét a finomító üzemekben.

Így működik

Yaghi a Berkeley-n dolgozó munkatársaival együtt 2014-ben állította elő cirkóniumból és adipinsavból azt az FOM-et, amely vízgőz megkötésére alkalmas, és felvetette az MIT mérnökének, Evelyn Wangnak, hogy együttes erővel kifejleszthetnének egy, az új FOM-en alapuló vízgyűjtő berendezést. A Wangék által tervezett rendszerben a mintegy kilogrammnyi, por formájú FOM-kristályt egy napfényelnyelő réteg és egy kondenzáló lemez közé préselik, és mindezt a külső levegő felé nyitott tartályban helyezik el.

Ahogy a külső levegő keresztüláramlik a porózus mátrixon, a vízmolekulák nagy affinitással megkötődnek a kristályszemcséken. Röntgendiffrakciós vizsgálatok megmutatták, hogy a vízmolekulák az FOM-felszínen általában 8 molekulából álló, köbös csoportokba rendeződnek. A napsugárzás, amely a tartály tetején kialakított ablakon át lép be, felmelegíti a mátrixot, és ezzel a kötött vizet a kondenzáló lemez felé vezeti. A felmelegített vízgőz ezután lecsapódik a lemezen, amelynek hőmérséklete alacsonyabb, a külső levegőének megfelelő, és a lecsapódott vízcseppek egy gyűjtőtartályba csepegnek.

„Találmányunk olyan új módot kínál a víz levegőből való kivonására, amely nem kíván nagy relatív légpáratartalmat, és sokkal energiahatékonyabb a korábbi megoldásoknál" – hangsúlyozta Wang. Yaghi hozzátette: a prototípussal csak a módszer alkalmazhatóságát kívánták bizonyítani, de a tényleges gyártásig még számos ponton javítani szeretnék a rendszert. A jelenleg használt FOM csak a száraz tömege 20 százalékának megfelelő mennyiségű vizet képes megkötni, míg más FOM-ek ennél akár 40 százalékkal jobban is teljesíthetnek.

A mátrix jellemzőinek további finomhangolásával azt is beállíthatják, hogy magasabb vagy alacsonyabb páratartalom mellett működjön optimálisan a készülék.

Forrás: Science Photo Library/PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Pasieka

További kutatások jönnek

„A dolog nem áll meg ott, hogy létrehoztunk egy passzív berendezést, amely csak áll, és gyűjti a vizet, hanem lefektettük a kísérletes és elméleti alapjait a további kutatásnak, amely során FOM-ek újabb ezreit tesztelhetjük le, és ezek között könnyen rábukkanhatunk a mostaninál jobbakra – fejtette ki Yaghi. – Komoly tartalékok vannak a rendszerben például az összegyűjthető víz mennyiségét illetően. Az előrelépés innentől már csupán további mérnöki munka kérdése."

„Ha folyamatossá akarjuk tenni a vízellátást, kidolgozhatjuk a rendszernek egy olyan változatát, amely az éjszaka folyamán összegyűjtött nedvességet nappal alakítja vízzé – folytatta a professzor. – A napkollektort is áttervezhetjük úgy, hogy ezt az átalakítást a mostaninál sokkal gyorsabban végezze, azáltal, hogy több levegőt présel át a mátrixon.

Most egyelőre csak meg akartuk mutatni, hogy ha valaki eltéved a sivatagban, ezzel a berendezéssel túl tud élni.

Egy ember minimális vízszükséglete nagyjából egy kólásdoboznyi naponta. A rendszerünkkel kevesebb mint egy óra alatt összegyűjthető ez a mennyiség."