В местах, где не хватает воды — например, в пустынях, — чтобы доставлять воду людям, требуются технические и ирригационные устройства, которые зачастую являются громоздкими и дорогостоящими. Новые исследования от ученых из Университета штата Огайо предлагает возможное решение, вдохновленное природой.
«Мы подумали: «Как мы можем собирать воду из окружающего воздуха вокруг нас?», — говорили Бхарат Бхушан, выдающийся ученый из Огайо и профессор машиностроения. «Итак, мы посмотрели на насекомых и растения в природе, которые уже делают это: кактус, жук, пустынные травы». Их выводы были опубликованы 24 декабря в журнале «Philosophical Transactions of the Royal Society».
Работа Бхушана сосредоточена на поиске вдохновленных природой решений проблем. В этом случае его исследовательская группа отправилась изучать пустыню, чтобы найти жизнь, которая выживает, несмотря на ограниченный доступ к воде.
Все кактусы, жуки и пустынные травы собирают воду, сгущенную из ночного тумана, собирая капли из воздуха и фильтруя их в корни или резервуары, обеспечивая достаточное увлажнение для собственного выживания.
Капли воды накапливаются на влагоотталкивающих шишках без воска на спине жука, а затем скользят ко рту жука по плоской поверхности между шишками. Пустынные травы собирают воду на своих кончиках, а затем направляют воду к своим корневым системам через каналы в каждой травинке. Кактус собирает воду на кончиках своих колючек, прежде чем направлять капли воды вниз по коническим шипам к основанию растения.
Команда Бхушана изучила все эти живые существа и поняла, что может построить подобную, хотя и более крупную, систему, которая позволила бы людям получать воду из ночного тумана или конденсата.
Они начали изучать способы, с помощью которых различные поверхности могут собирать воду, и какие поверхности могут быть наиболее эффективными. Используя трехмерные принтеры, они строили поверхности с различными неровностями, а затем создавали замкнутые, туманные среды, используя увлажнитель, чтобы увидеть, какая система собрала больше воды.
Исследователи узнали, что конические формы собирают больше воды, чем цилиндрические — «это имело смысл, учитывая то, что мы знаем о кактусе», сказал Бхушан. Причиной этого, по его словам, является физическое явление, называемое градиентом давления Лапласа. Вода собирается на кончике конуса, а затем стекает вниз по склону конуса к основанию, где попадает в резервуар.
Рифленые поверхности перемещают воду быстрее, чем нерифленные — «что кажется очевидным в ретроспективе из-за того, что мы знаем о траве», сказал Бушан. В экспериментах исследовательской группы рифленые поверхности собирали примерно вдвое больше воды, чем нерифленные.
Материалы, из которых состоят шишки жука, тоже имели значение. Гидрофильные поверхности — те, которые позволяли воде накапливаться, а не поглощать ее, — собирали большую часть воды. «Материал поверхности жука неоднороден, с гидрофильными пятнами, окруженными гидрофобными областями, что позволяет воде легче течь в рот жука», — пояснил Бушан.
Исследовательская группа также экспериментировала со структурой, состоящей из нескольких конусов, и узнала, что больше воды накапливалось, когда капли воды могли соединяться между конусами, которые находились на расстоянии одного или двух миллиметров друг от друга. По словам Бушана, команда продолжает эти эксперименты.
До сих пор работы выполнялись только на лабораторном уровне, но Бхарат Бхушан предполагает, что работы будут расширены, и в пустыне будут создаваться сооружения, способные собирать воду из тумана или конденсата. Эта вода, по его мнению, могла бы дополнять воду из общественных систем или колодцев, либо на индивидуальной основе, либо на уровне всего сообщества.
Существует прецедент для этой идеи: во всех регионах мира, в том числе в пустыне Атакама в Чили, крупные сети собирают воду из тумана и накапливают ее в резервуарах для использования фермерами и другими людьми. Эти сети могут быть не самым эффективным способом сбора воды из воздуха, считает Бхушан.
«Водоснабжение является критически важной проблемой, особенно для людей из самых засушливых районов мира», — говорит он. «Используя биоиндуцированные технологии, мы можем помочь решить проблему обеспечения чистой водой людей по всему миру как можно более эффективным способом».
Dev Gurera et al, Designing bioinspired surfaces for water collection from fog, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (2018). DOI: 10.1098/rsta.2018.0269