Управление водой. Как человечество будет спасать себя от засухи и жажды

Многие регионы планеты испытывают дефицит пресной воды. И эта проблема будет усиливаться из-за глобального потепления. Для ее решения технологическая мысль работает в двух направлениях. Во-первых, как вызывать дождь даже в экстремальных условиях 50-градусной жары. Во-вторых, как более дешево добывать пресную воду из морской воды и воздуха.

Дождевой электростимулятор

В июле Национальный центр метеорологии Объединенных Арабских Эмиратов опубликовал несколько видео, на которых автомобили проезжают под сильным дождем в Шардже, Абу-Даби, Аль-Айне, Рас-эль-Хайме. Из-за проливных дождей даже появились водопады, и условия вождения стали опасными. Как отмечает The Washington Post, эти ливни стали результатом одной из новейших попыток ОАЭ увеличить количество осадков в пустынной стране.

Вода — большая проблема в ОАЭ. Население страны за последние 15 лет выросло почти в 2,5 раза — с 4,1 до 9,9 млн чел. Соответственно, выросла и потребность в пресной воде. Сейчас страна использует около 4 куб. км воды за год, но лишь около 4% обеспечивается за счет естественных водных ресурсов.

В последние годы большое развитие в ОАЭ получила технология опреснения морской воды. По данным правительства ОАЭ, сейчас 42% всей воды и, в частности, более половины питьевой воды, используемой в стране, поступает из опреснительных заводов, которых насчитывается уже около 70.

Но власти страны хотят большего — научиться управлять климатом. Обычно в ОАЭ дожди идут всего несколько дней в году. Летом осадков почти нет. В этом году в начале июня там три дня подряд фиксировалась рекордная температура выше 51 °C. Такие климатические условия сильно затрудняют ведение сельского хозяйства и вынуждают страну импортировать более 80% продуктов питания.

В 2017 г. ОАЭ инвестировали $15 млн в девять различных проектов по созданию дождя. В большинстве этих проектов используются традиционные методы засева облаков. Июльские искусственные дожди, по данным Национального центра метеорологии ОАЭ, были вызваны именно таким способом. Операции по засеву облаков осуществляются с помощью пилотируемых самолетов, которые запускают в облака йодистое серебро или соль, чтобы вызвать увеличение количества осадков.

Однако главный сюрприз не в этом. Один из вышеупомянутых девяти проектов предложил совершенно новую технологию стимулирования дождя. Она не засевает облака никакими химическими веществами, а вместо этого стреляет по облакам электрическими зарядами.

Этот проект разработан группой ученых из Редингского университета в Англии. Исследователи обнаружили, что электрические заряды, ударяя в облака, встряхивают капли и заставляют их слипаться. Затем образующиеся более крупные капли падают в виде дождя на землю — и достигают ее, а не испаряются в воздухе. В пустынных странах, таких как ОАЭ, где воздух горяч, а облака высоки, дожди из мелких капель зачастую испаряются, так и не успев пролиться на землю. "Что мы пытаемся сделать, так это сделать капли внутри облаков достаточно большими, чтобы, когда они выпадают из облака, выжили до поверхности", — поясняет ведущая участница проекта Кери Николл.

Чтобы проверить свои разработки, Николл и ее команда построили четыре дрона с размахом крыльев около 2 м, оснащенные излучателями заряда. Дроны, запускаемые с катапульты, могут летать около 40 минут. Во время полета датчики дрона измеряют температуру, влажность и другие характеристики облака. Это позволяет исследователям выбрать наиболее подходящий момент для выстрела электрическим зарядом, чтобы вызвать дождь.

"Уровень грунтовых вод в ОАЭ понижается, — отмечает профессор Редингского университета Маартен Амбаум. — И цель этого проекта — увеличить количество осадков". Испытания должны завершиться до конца года. Если результаты будут признаны успешными, то можно ожидать, что власти ОАЭ не ограничатся финансированием исследований и перейдут к внедрению этой разработки в промышленных масштабах.

Впрочем, новая технология может не только конкурировать с традиционной, но и дополнять ее. Кери Николл хочет, чтобы будущие проекты сочетали зарядку облаков с их засевом. Как полагает исследовательница, использование заряженных частиц соли может сделать засев облаков более эффективным.

Китайская система управления погодой

В конце прошлого года Китай объявил о планах пятикратного расширения экспериментальной программы изменения погоды. Согласно заявлению Госсовета к 2025 г. Китай будет иметь "развитую систему изменения погоды" благодаря достижениям в фундаментальных исследованиях и ключевых технологиях. Общая площадь, покрытая искусственным дождем или снегопадом, в ближайшие пять лет достигнет 5,5 млн кв. км, то есть более половины территории страны. Это поможет бороться с засухой и лесными пожарами, а также предотвращать град.

Китай давно стремился контролировать погоду, чтобы защитить сельскохозяйственные угодья и обеспечить чистое небо для ключевых событий. Так, он засеял облака перед Олимпийскими играми в Пекине в 2008 г., чтобы уменьшить смог и избежать дождя перед соревнованиями. Таким же образом обеспечивалось чистое небо на саммите G20 в Ханчжоу в сентябре 2016 г.

В сентябре 2017 г. китайское государственное информагентство "Синьхуа" сообщило, что в 2012–2017 гг. Китай потратил 8,8 млрд юаней ($1,34 млрд) на поддержку программы изменения погоды в рамках усилий по уменьшению засухи и минимизации воздействия стихийных бедствий. Благодаря этим технологиям Китай за пять лет вызвал 233,5 куб. км дополнительных осадков. Это в три раза больше, чем объем крупнейшего китайского озера Цинхай.

Политику, лежащую в основе управления облачными водными ресурсами в Китае, проанализировали исследователи из Национального тайваньского университета. В статье, опубликованной в научном журнале Geoforum в октябре 2017 г., они подчеркнули, что отсутствие надлежащей координации действий по изменению погоды может привести к обвинениям в "краже дождя". Также они указали на волюнтаризм руководства КНР. В Китае "научные доказательства и политическое обоснование изменения погоды не подлежат дебатам или широкому обсуждению, — отметили авторы статьи. — Кроме того, склонность руководства к технологическому вмешательству в укрощение различных погодных систем редко оспаривается альтернативными точками зрения".

До этого, в январе 2017 г., стало известно, что правительство Китая одобрило выделение 1,5 млрд юаней ($168 млн) на проект по изменению погодных условий в страдающих от засухи северо-западных регионах страны общей площадью 960 тыс. кв. км. Чтобы направить туда дождевые облака, было запланировано в течение трех лет купить четыре новых "погодных" самолета и модернизировать восемь имеющихся, развернуть 897 ракетных пусковых комплексов.

Как отмечает The Guardian, частью этой программы является новая система изменения погоды на Тибетском плато. Китайские ученые работают над амбициозным планом "Тяньхэ" ("Небесная река"). По словам ученых, они обнаружили потенциальные каналы около границы тропосферы (10–12 км над уровнем моря), по которым ежегодно может проходить 5 куб. км воды. Китайская корпорация аэрокосмической науки и технологий (CASC) построила сотни камер в горном районе для подачи в атмосферу йодистого серебра в больших количествах.

Эта попытка гидротехнического переустройства неба могла бы облегчить дефицит воды на засушливом северо-западе Китая, но может усугубить проблемы в Юго-Восточной Азии и Индии, если нарушит водный режим рек Меконг, Салуин и Брахмапутра — все они берут свое начало на Тибетском плато. Индийские медиа уже высказывали опасения, что Китай использует погоду в качестве оружия и, возможно, уже нарушает режим выпадения осадков.

The Guardian подчеркивает, что китайская программа по засеву облаков — крупнейшая в мире, в ней уже работают около 35 тыс. чел. И вот теперь она до 2025 г. должна быть расширена более чем в пять раз. Это означает, что все опасения вырастут еще сильнее.

Новые технологии опреснения

В настоящее время основным методом очистки морской воды является обратный осмос. Его используют примерно 20 тыс. опреснительных установок по всему миру. Но эти объекты требуют огромного количества электроэнергии для работы. Поэтому ученые ищут новые решения, которые не столь энергозатратны.

Одно из таких решений — мембранная дистилляция. Слабым звеном этой технологии до сих пор являлись мембраны. Их срок службы оказывался слишком коротким — около пары дней. Но в июле этого года ученые из Корейского института гражданских инженерных и строительных технологий представили новую разработку, которая с помощью мембранной дистилляции делает морскую воду пригодной для питья за несколько минут, обеспечивая очистку воды от соли на 99,9%. Устройство стабильно производит чистую питьевую воду в течение месяца, и лишь после этого степень очистки воды начинает снижаться.

Секрет — в мембране. Ее трехмерная иерархическая структура создана из полимерного нановолокна с помощью нанотехнологии, известной как электроспиннинг (электропрядение). В качестве оболочки нановолокна использован аэрогель с небольшой примесью полимера. Эта мембрана по сравнению с другими обладает гораздо большей шероховатостью поверхности и низкой теплопроводностью, а благодаря этому — гораздо лучшими эксплуатационными характеристиками, в том числе большим сроком службы.

Другое решение придумала команда из Национального университета Сингапура. В жарких прибрежных регионах огромное количество ценной воды ежедневно испаряется с поверхности океана. Это навело ученых на мысль создать гидрогель, который бы впитывал влагу из морского воздуха, превращая ее в пресную воду.

Сингапурская команда разработала материал, поглощающая способность которого в восемь раз превышает обычные осушители, такие как силикагель или хлорид кальция. Новый гидрогель абсорбирует в четыре раза больше своего сухого веса. Вдобавок, в отличие от традиционного осушителя, для выведения влаги не требуется электричество. И этот гель можно использовать повторно до тысячи раз.

В полевых испытаниях на поверхность океана поместили плавающую конструкцию, заполненную этим гидрогелем. Под воздействием температуры вода постепенно испарялась, и крошечные капли влаги собирались на геле. Как только он пропитался полностью, гель поместили в закрытый стеклянный контейнер и оставили его на солнце. Нагревшись до 45–50 ºC, гель сам отдал собранную воду в виде конденсата.

Килограмм материала, если использовать его целый день, может произвести 10 л пресной воды. Исследователи собираются еще больше усилить поглощающую способность гидрогеля и оптимизировать процесс сбора воды. "Наше изобретение можно масштабировать до размеров плавучей станции опреснения", — считает руководитель проекта профессор Тан Сви Чин. По его оценке, такая станция без затрат энергии может опреснять до 1000 л в день.

Вода из воздуха

Свой вклад в решение проблемы дефицита питьевой воды решили внести инженеры знаменитого Калтеха — Калифорнийского технологического института, в котором учились и преподавали 76 нобелевских лауреатов. Конечно, их разработка на Нобелевку не тянет, но она точно оригинальна и остроумна. Новая система получает чистую воду из двух различных источников — днем она занимается очисткой загрязненных вод, а по ночам собирает капли тумана.

Секрет этой установки — тоже в хитрой мембране. Инженеры Калтеха изготовили мембрану из гидрогеля с крайне специфичным узором. Ее поверхность покрыта наноструктурами, напоминающими колючки кактуса, только сделаны они из гидрофильного материала, впитывающего воду.

"Кактусы уникальным образом приспособлены к выживанию в засушливом климате, — пояснил соавтор изобретения Е Ши. — В нашем случае эти колючки, которые мы называем микродеревьями, привлекают микроскопические капли воды, парящие в воздухе. Капли стекают по микродеревьям вниз, к основанию, и соединяются с другими каплями. Они постепенно заполняют резервуар водой, которую можно использовать".

Мембрана находится в контейнере, над резервуаром с грязной водой. Днем она впитывает тепло солнечного света, нагревая резервуар с содержимым. Пар оседает на прозрачной крышке и стекает в цистерну. Ночью эту крышку снимают, мембрана абсорбирует влагу из окружающего воздуха.

Инженеры протестировали свое изобретение в реальных условиях на нескольких образцах материала. Один квадратный метр мембраны позволит, по их подсчетам, получать до 34 л питьевой воды ежедневно.

Вполне возможно, что подобные технологии войдут органической частью в концепцию "экологичного умного дома". Тем более что технологии будут и дальше совершенствоваться, а проблема дефицита чистой питьевой воды — и далее обостряться.