Mózesi csodát vittek végbe a sivatagban

A sivatagi vízgyűjtő berendezés prototípusa

Kisebbfajta bibliai csodával ér fel, ahogy egy kaliforniai vegyészek által kifejlesztett berendezés iható vizet fakaszt az arizonai sivatag porszáraz levegőjéből.

Tavaly októberben a Kaliforniai Egyetem kutatócsoportja az arizonai sivatagba utazott, hogy legújabb vízgyűjtő berendezésük prototípusát elhelyezzék egy ház hátsó udvarán. A készülék feladata az volt, hogy pusztán a nap energiájának felhasználásával vizet vonjon ki a tikkasztóan száraz sivatagi levegőből.

A korábbi változatoknál nagyobb, új generációs vízgyűjtő sikerrel szerepelt a terepi teszten, s ezzel beigazolta a csoport korábbi jóslatát: a berendezés még rendkívül alacsony páratartalom mellett is képes minden éjszaka-nappal váltakozás során iható vizet csapolni a levegőből, méghozzá minimális költséggel, ami ideálissá teszi az alkalmazást a világ szegény és vízhiányos területein élő emberek számára.

Működéséhez elég a napfény

„A készülék párját ritkítja – erősítette meg Omar Yaghi, a vízgyűjtő működésének alapjául szolgáló technológia feltalálója. –

Környezeti hőmérsékleten működik, egyszerű napfénnyel, és minden további energia betáplálása nélkül vizet gyűjt a sivatagban.

S hogy a dolog már nemcsak a laborasztalon, de a terepen is működik, a vízgyűjtés érdekes jelenségből valódi tudománnyá lépett elő.” A Kaliforniai Egyetem Berkeley kampuszán vegyészetet oktató és aktívan kutató Yaghi a Science Advances folyóiratban közölte a vízgyűjtő első terepi kipróbálásának eredményeit.

A sivatagi vízgyűjtő berendezés prototípusa Forrás: MIT photo by Hyunho Kim

A terepi teszt helyszíne az arizonai Scottsdale volt, ahol az éjjeli 40 százalékos csúcsról a nappali hőségben 8 százalékra zuhan a levegő páratartalma. Ez az éjjeli páramennyiség ugyanakkor a nappali fénnyel kombinálva elegendő a vízgyűjtő működtetéséhez. A teszt bizonyította, hogy az eljárás nagyon egyszerűen, pusztán több vízelnyelő anyag hozzáadásával felskálázható.

Újfajta, olcsóbb töltet

A berendezés lelkét alkotó vízelnyelő töltet nem más, mint egy nagyon porózus szerkezetű fémorganikus mátrix. A kutatók várakozásai szerint a jelen kísérletben alkalmazott, MOF-801 jelű mátrix, amely az alapanyagául szolgáló cirkónium miatt elég drága, kilogrammonként és naponta mintegy 200 milliliter (2 deciliter) vizet lehet képes összegyűjteni. Yaghi és munkatársai azonban már előálltak egy új, alumínium alapú mátrixszal, amely minimum 150-szer olcsóbb, és a laborkísérletekben kétszer annyi vizet állít elő. A vízgyűjtők soron következő nemzedéke ezért már kilogramm mátrixonként és naponta több mint 4 deciliter vizet gyűjthet össze.

„Óriási az érdeklődés a technológia piacra vitele körül, és már most több startup vállalkozás foglalkozik egy kereskedelmi forgalomba hozható vízgyűjtő kifejlesztésén – közölte Yaghi. – Az alumínium alapú mátrix már elég olcsó ahhoz, hogy ennek gyakorlati realitása legyen.”

Fémorganikus mátrixok

Yaghi a Kaliforniai Egyetem mellett a Rijádban (Szaúd-Arábia) működő King Abdul Aziz City for Science and Technology-val, és az azt elnöklő Dr. Turki Saud Mohammad Al Saud herceggel is együtt dolgozik a technológia további finomításán. Az együttműködés a két intézmény által közösen működtetett Nanoanyagok és Tiszta Energia Kiválósági Kutatóközpont egyik kiemelt projektje.

Yaghi a fémorganikus mátrixok vegyészetének elismert úttörője. Ezekre a szilárd anyagokra az jellemző, hogy hihetetlenül porózusak: annyi belső járat és lyuk van bennük, hogy egy kockacukornyi térfogatuk belső felszíne akár hat futballpályányi is lehet.

Ez az óriási felszín könnyen megköt gázokat és folyadékokat, de – ami ugyanilyen lényeges – melegítés hatására ugyanolyan könnyen el is engedi őket. A fémorganikus mátrixok különböző változatait már tesztelik olyan alkalmazási területeken, mint a hidrogéncellás járművek üzemanyagtárolása, az ipari kéményekből kibocsátott szén-dioxid megkötése, vagy a metán tartós elhelyezése.

Pár évvel ezelőtt Yaghi létrehozta az MOF-801 jelű mátrixot, amely hatékonyan köti meg, majd engedi el a vizet. Tavaly a mátrix kis mennyiségét egy egyszerű vízgyűjtő berendezésbe töltve kipróbálták, vajon képes-e a viszonylag nedvesebb éjszakai levegőből kivonni a vizet, majd a napsütés biztosította meleg hatására elengedni azt. Fontos, hogy a készülék működése ciklikus legyen: a nappal végére az összes megkötött víznek távoznia kell, hogy a mátrix teljesen regenerálódva induljon neki a következő éjszakai vízgyűjtésnek.

A kísérleti berendezés, amelyet Yaghi együttműködő partnerei építettek a Massachusetts Institute of Technology-ban mindössze 2 gramm mátrix felhasználásával, csupán arra volt alkalmas, hogy az elmélet helytállóságát bizonyítsa: nappal a készülék ablakai bepárásodtak a felszabaduló víztől, de a kis mennyiségek miatt a víz tényleges összegyűjtésére és mennyiségének mérésére nem volt lehetőség. Ugyanezt a berendezést a sivatagba is kiszállították egy kis terepi próbaüzemre, ahol szintén hozta a formáját, bár mérhető mennyiségű vizet ott sem lehetett belőle kisajtolni.

Először sikerült mérhető mennyiségű vizet gyűjteni

A most közölt kísérletekben viszont a Berkeley munkatársainak – köztük Eugene Kapustin doktorandusz hallgatónak, valamint Markus Kalmutzki és Farhad Fathieh posztdoktor kutatóknak – sikerült mérhető mennyiségű vizet gyűjteniük, és a vízkollektor legújabb modelljét különböző páratartalom, hőmérséklet és napsütési intenzitás mellett tesztelniük. Maga a vízgyűjtő berendezés tulajdonképpen nem más, mint egy doboz a dobozban. A belső dobozban egy nagyjából 0,2 négyzetméteres, a levegő felé nyitott ágyon terítették szét a mátrixszemcséket, és ezt a belső dobozt egy nagyobb, mintegy 60 cm-es oldalhosszúságú, átlátszó tetővel és oldalakkal ellátott kockába zárták be. Éjjel a külső doboz tetejét nyitva hagyták, hogy a mátrix a beáramló levegőből megköthesse a nedvességet, de napközben bezárták, így a doboz belső tere egy üvegházhoz hasonlóan felhevült. A hő hatására távozó víz a külső doboz belső oldalán lecsapódott, majd lecsorgott-lecsepegett a doboz aljára, ahonnan a kutatók egy pipettával összegyűjtötték.

A legfontosabb előrelépést az jelenti, hogy a készülék alacsony levegő-páratartalom mellett működik, hiszen a világ száraz területein ilyen viszonyok uralkodnak

– hangsúlyozta Yaghi, kiemelve: a nevezett körülmények között a berendezés még akkor is működik, ha az éjszakai hőmérséklet fagypont alá esik. A professzor nagy várakozással tekint a soron következő, a kaliforniai Halál-völgyben végrehajtandó terepi kísérletekre, ahol az új, alumínium alapú mátrixot fogják tesztelni. A Halál-völgyben késő nyáron a nappali csúcshőmérséklet eléri a 43°C-ot, míg éjszaka mindössze 25 százalék páratartalom mellett 20 fok környékére csökken.