Антигравитационная система транспортировки воды работает по принципу деревьев

Москва, 20:18, 10 Июл 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Эффективное перемещение воды вверх против сил гравитации — главный подвиг человеческой инженерии, который деревья осваивали сотни миллионов лет. В новом исследовании ученые разработали «древесную» систему транспортировки воды, которая использует капиллярные силы для перемещения грязной воды вверх через иерархически структурированный аэрогель, где она может затем превращаться в пар с помощью солнечной энергии для получения свежей, чистой воды.

Исследователи во главе с Айпингом Лю из Научно-технического университета Чжэцзяна и Хао Баем из университета Чжэцзяна опубликовали статью о новом методе переноса воды и генерации солнечного пара. В будущем эффективные методы транспортировки воды могут найти применение при ее очистке и опреснении.

«Наш метод приготовления универсален и может быть промышленно развит», — сказал Лю. «Наши материалы обладают превосходными свойствами и хорошей стабильностью, и их можно многократно использовать. Это дает возможность для крупномасштабного опреснения и очистки сточных вод в будущем».

Новая система состоит из двух основных компонентов: длинного, пористого, сверхлегкого аэрогеля для транспортировки воды и слоя углеродных нанотрубок поверх аэрогеля для поглощения солнечного света и превращения воды в пар. Система заключена в стеклянную тару. Вода движется вверх через поры в аэрогеле благодаря капиллярным силам, которые вызваны адгезией между молекулами воды и внутренней поверхностью пор. Как только вода достигает вершины, слой углеродных нанотрубок, нагретый солнечной энергией, превращает воду в пар, удаляя таким образом любые загрязнения. Пар конденсируется по бокам окружающего стеклянного контейнера, образуя капли воды, которые стекают вниз на дно контейнера в резервуар для сбора.

Эта система очень похожа на ту, которую используют растения. Растения содержат много крошечных ксилемных сосудов, которые вытягивают воду из земли через свои ветви и листья — иногда на десятки метров. Как только вода достигает листьев, солнечное излучение заставляет воду испаряться через крошечные поры в листьях, подобно углеродному генератору солнечного пара.

Воссоздание эффективной древовидной водной транспортной системы было сложной задачей, так как большинство предыдущих попыток демонстрировали относительно низкие скорости транспортировки, короткие транспортные расстояния и снижение производительности при транспортировке сточных вод и морской воды по сравнению с чистой водой. С новым дизайном аэрогеля исследователи продемонстрировали улучшения во всех этих областях, достигая производительности восходящего потока 10 см в первые 5 минут и 28 см через 3 часа. Система также одинаково хорошо работает с чистой водой, морской водой, сточными водами и песчаными грунтовыми водами. Кроме того, угольный коллектор достигает высокой эффективности преобразования энергии — до 85%.

Ключом к улучшениям стал тщательный дизайн архитектуры аэрогеля. Чтобы изготовить материал, исследователи налили ингредиенты аэрогеля в медную трубку, которую затем подвергли температурному градиенту, где холодный конец трубки был ледяным -90 градусов Цельсия. Это заставило кристаллы льда расти в аэрогеле по градиенту температуры. После лиофилизации трубки полученный аэрогель имел иерархическую структуру с радиально выровненными каналами, порами микроразмера, морщинистыми внутренними поверхностями и молекулярными сетками. Эти крошечные структуры способствовали хорошей работе аэрогеля.

В будущем исследователи планируют еще больше повысить производительность системы для практического использования.