Вода из пыли. Мир стоит на пороге питьевой революции

О многих научных открытиях говорят, что они повлияли на жизнь человечества. Но о немногих — что они способны изменить образ жизни и даже образ мысли целого народа.

Именно о таком открытии рассказал журнал Science 13 апреля. А народ, для которого оно может иметь судьбоносное значение, — это арабы, точнее, все 350-миллионное население стран арабского мира от Марокко на западе до Ирака и Омана на востоке.

Из килограмма пыли — почти три литра воды каждый день

Одна из главных проблем арабов — извечный дефицит чистой пресной воды. Понятно, что эта проблема волнует жителей всех засушливых и пустынных регионов. И, несмотря на весь технологический прогресс, она не теряет остроты. Население планеты растет, а с ним и потребность в воде. Однако существующие методы водоочистки довольно энергоемки и дороги, поэтому далеко не все могут их себе позволить.

Ситуацию может исправить изобретение химиков из Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) и инженеров из Массачусетского технологического института (MIT). Совместно они создали устройство, способное поразить своими возможностями любого, кто живет в жарком климате.

В это устройство нужно спозаранку засыпать килограмм пыли — только не обычной, а особенной, в том и секрет. И к вечеру оно создаст 2,8 л совершенно чистой воды. К следующему вечеру — еще 2,8 л. И так каждый день. Досыпать пыль при этом не надо, она вечна. Электропитания или какого-либо топлива устройству тоже не надо, оно само будет работать вечно. В MIT провели тесты в реальных условиях — устройство работает.

Конечно, никакого волшебства тут нет. Но, впрочем, каждый ли житель засушливой или пустынной местности будет вникать в тонкости технологии? Для многих это будет просто чудо по воле Всевышнего. И их не будет интересовать, что вода берется не из ничего, а из воздуха. Энергия — тоже не из ничего, а из потока солнечного света. Уж его-то в знойном климате всегда хватает, иначе не было бы зноя, который и делает пустыню безводной.

Из-за жары вода испаряется в воздух (но разумеется, оттуда никуда не исчезает). И его абсолютная влажность тем выше, чем выше температура. Так что даже в самом сухом тропическом климате воды в воздухе вполне достаточно. Нужно только ее оттуда извлечь.

Секрет волшебного вещества

Что же касается волшебной пыли, то чудо — не она, а ее создатели. И прежде всего — химик из UC Berkeley Омар Ягхи (Omar Yaghi). Именно он придумал и создал специальный материал, так называемую металл-органическую каркасную структуру, или MOF (metal-organic framework), который активно поглощает молекулы воды из воздуха.

Работа над изобретением заняла около трех лет. В 2014 г. Омар Ягхи и его команда в UC Berkeley синтезировали MOF, являющийся сочетанием металла циркония и органического вещества — адипиновой кислоты. Убедившись, что этот материал хорошо собирает водяной пар, Омар Ягхи предложил инженеру-механику MIT Эвелин Ванг (Evelyn Wang) использовать MOF в системах сбора воды.

Сконструированная Эвелин Ванг и ее студентами система содержит примерно 1 кг кристаллов MOF размером с пылинки, помещенных внутрь отсека, открытого для доступа воздуха. Отсек расположен между солнечной панелью и конденсатором влаги. По мере того как окружающий воздух проходит через материал MOF, молекулы воды задерживаются в его внутренних порах. Исследования методом рентгеновской дифракции показали, что молекулы воды чаще всего группируются по восемь в форме куба.

Но внутри пыли вода не задерживается, так как под воздействием солнечной энергии, собираемой с помощью солнечной панели, она превращается в пар и уходит в конденсатор, температура которого соответствует температуре окружающего воздуха. Сконденсировавшаяся вода стекает в емкость-накопитель. Устройство работает все время, пока есть солнечный свет.

Созданный прототип устройства, содержащего 1 кг пыли из MOF и работающего благодаря солнечному свету, показал на тестировании, что он способен за 12 часов добыть из воздуха 2,8 л воды при относительной влажности воздуха 20–30%, характерной для засушливого климата. Омар Ягхи подчеркивает, что это достижение позволяет решить задачу, которая долгое время стояла перед человечеством, — добывать воду из воздуха при низкой влажности. На данный момент, если пока не считать новой разработки, не существует иного способа сделать это, кроме таких методов, которые требуют использования огромного количества энергии, из-за чего получаемая вода оказывается крайне дорогой, недоступной по цене обычным людям.

Кто на этом заработает

Разработчики планируют улучшить показатели, сделав свое изобретение еще более эффективным. Как объясняет Омар Ягхи, нынешний концепт еще предстоит немало совершенствовать. Существующий материал MOF способен абсорбировать воду в объеме только 20% от своего веса, однако предполагается, что другие материалы MOF смогут впитывать вдвое больше.

"Дело не только в том, что мы создали пассивное устройство, которое стоит себе, собирая воду. Мы заложили как экспериментальные, так и теоретические основы, чтобы найти еще лучшие материалы MOF. Существует большой потенциал для увеличения объема собираемой воды, теперь это только вопрос дальнейшего развития технологии", — говорит Омар Ягхи.

Пока он и его команда работают над улучшением своих MOF, Эвелин Ванг продолжает совершенствовать конструкцию системы, чтобы производить больше воды. В частности, можно сделать так, чтобы система работала круглосуточно, накапливая воду ночью и постепенно отдавая ее в течение дня. Ведь MOF собирает воду в любое время суток, свет нужен только для того, чтобы извлечь ее из волшебной пыли. Также энергию света можно использовать, чтобы всасывать окружающий воздух и прокачивать его через систему, тем самым значительно увеличив скорость сбора воды.

"Мы хотим обеспечить, чтобы благодаря этому устройству можно было выжить в пустыне, даже если воды ждать неоткуда", — подчеркивает Эвелин Ванг. Как и Омар Ягхи, она уверена, что у их изобретения большое будущее.

Для этой уверенности есть основания. Перед любым изобретателем стоит проблема найти инвестора. А Омар Ягхи решил эту проблему еще три года назад, когда стал содиректором Калифорнийского исследовательского альянса (CARA), созданного немецким химическим гигантом BASF. Согласно последнему годовому отчету BASF активы концерна на конец 2016 г. стоили 76,5 млрд евро, чистая прибыль за 2016 г. составила 4,06 млрд евро. Так что когда устройство Омара Ягхи и Эвелин Ванг будет готово к промышленному внедрению, деньги на организацию и запуск производства наверняка найдутся.

Дадут ли Омару Ягхи Нобелевку по химии

Сейчас обычный среднестатистический араб, наверное, не назовет ни одного современного арабского ученого в области естественных наук. Украинцы, кстати, тоже в подавляющем большинстве своем не назовут ни одного из нынешних украинских ученых, кроме Бориса Патона, который возглавляет НАНУ уже 55 лет.

Между тем Омар Ягхи — это не какой-то там рядовой химик, и его изобретение — отнюдь не случайная удача. В топ-100 самых цитируемых химиков всего мира за 2000–2010 гг. он занял второе место.

Родился он в столице Иордании Аммане в 1965 г. В возрасте 15 лет, располагая финансовой поддержкой отца, переехал в США и стал там первоклассным ученым.

Более 20 лет назад Омар Ягхи изобрел металл-органические каркасные структуры (MOF), соединив такие металлы, как магний и алюминий, с органическими молекулами, чтобы получился прочный, но пористый материал, превосходно подходящий для хранения газов и жидкостей. Молодой химик успешно развил работу над MOF от фундаментальной науки до применений в экологически чистых энергетических технологиях, включая хранение водорода и метана, а также улавливание и хранение углекислого газа.

Его первые достижения в разработке и синтезе новых материалов были удостоены в 1998 г. премии Solid State Chemistry Award Американского химического общества и компании Exxon, в 1999 г. — медали Саккони Итальянского химического общества. Его работа по хранению водорода в MOF была отмечена журналом Popular Science, который включил Омара Ягхи в свой список Brilliant 10 самых выдающихся ученых и инженеров США в 2006 г.

В 2007 г. изобретатель был удостоен награды Министерства энергетики США за выдающийся вклад в хранение водорода, кроме того, медали Общества исследований материалов за новаторскую работу в области теории, дизайна, синтеза и приложений MOF, а также премии им. Ньюкомба Кливленда Американской ассоциации содействия развитию науки за лучшую работу, опубликованную в Science. В 2009-м Омар Ягхи стал лауреатом премии Американского химического общества по химии материалов, а в 2010-м — Премии столетия, которая ежегодно присуждается британским Королевским химическим обществом за популяризацию и выдающийся вклад в химию.

Поэтому вполне вероятно, что он давно уже записан в "очередь" Нобелевским комитетом. Новое изобретение может стать дополнительным аргументом. И не только оно. Концерн BASF сейчас тестирует один из материалов MOF Омара Ягхи в реальных грузовых автомобилях, работающих на природном газе. Резервуар, заполненный этим MOF, вмещает в три раза больше метана, чем удается закачать под давлением в пустой резервуар.

Причем тут образ мысли арабов

При всей своей занятости в США Омар Ягхи сохраняет тесную связь с арабским и мусульманским миром, принимает активное участие в работе института KACST (King Abdulaziz City for Science and Technology) в столице Саудовской Аравии Эр-Рияде. В 2015 г. он был награжден Международной премией им. короля Фейсала в области химии. В том же году Организация исламского сотрудничества учредила премию Мустафы, и Омар Ягхи стал ее первым лауреатом в области нанонаук и нанотехнологий.

Стоит отметить, что премия им. короля Фейсала неофициально называется Арабской Нобелевской премией. Она присуждается в пяти номинациях: служение исламу, научные работы по исламу, арабский язык и литература, медицина, наука. Лауреатам вручается золотая медаль весом 200 г. с бриллиантом в 24 карата и денежное вознаграждение в размере $200 тыс. Премия по науке присуждается с 1984 г. и насчитывает уже 41 лауреата, однако только трое из них — арабы, причем первые два получили свои награды еще в 1989 и 1990 гг. Это говорит о том, как мало среди арабов ученых высшего мирового уровня, к которым, безусловно, относится Омар Ягхи.

Понятно, что причина тут в низкой популярности науки в широких слоях народа. Арабы не хуже других справляются с освоением новых технологий. Но двигать вперед мировую науку — такую цель ставят перед собой лишь единицы, а для ее достижения приходится уезжать в США или Европу.

Чудо-устройство, производящее воду из воздуха, конечно, повлияет на образ жизни арабов. Но само по себе оно вряд ли способно изменить их образ мысли. Как не изменила его солнечная энергетика, уже многие годы активно внедряющаяся в арабских странах.

Однако отличие все же есть. Солнечные панели — это чужеземный, западный фокус. А изобретатель волшебной пыли Омар Ягхи — свой, араб из Иордании. И этот фактор, несомненно, будет вовсю использоваться при продвижении товара на рынок. Так же, как это делают у нас, когда подчеркивают, что "свій до свого по своє (зі своїм)".

Наверное, эта штука поначалу не будет дешевой. Но ее смогут позволить себе состоятельные люди. Как раз такие, кто сможет оплатить сыновьям (о дочках молчим) хорошее образование. Быть может, именно эта штука, придуманная арабом, поспособствует появлению у арабских детей желания выучиться, чтобы самим заниматься наукой, и в то же время подтолкнет власти арабских стран к существенному повышению финансирования естественнонаучных факультетов.

По крайней мере, шанс такой есть. И потому хочется, чтобы волшебная пыль не осталась сказкой.

Футбольное поле в одной крупинке

Исследователями разных стран мира создано уже более 20 тыс. различных металл-органических каркасных структур (MOF). В самом престижном научном журнале Nature каждый месяц выходит с полдюжины статей об этих материалах, их удивительных свойствах и разнообразных применениях.

Например, MOF используют как гиперчувствительные сенсоры, так как при взаимодействии с определенными веществами они меняют свои физические свойства. C помощью MOF ускоряют органические реакции, используя внутренние поры этих структур, чтобы приблизить реагенты друг к другу. Также с помощью MOF стабилизируют взрывчатые или самовоспламеняющиеся вещества, например белый фосфор. В некоторые типы MOF вставляют лекарства и доводят их до больных органов, минуя здоровые. И это далеко не полный перечень того, что можно делать с помощью материалов из семейства, изобретенного Омаром Ягхи.

Чтобы оценить, сколь фантастическими могут быть свойства MOF, приведем один пример. Созданный Омаром Ягхи в 2006 г. материал, названный MOF-177, стал абсолютным рекордсменом по удельной площади поверхности. Это важнейшая характеристика сорбентов. В каждом грамме MOF-177 суммарная площадь поверхности всех его пор составляет 5640 кв. м. Это лишь немногим меньше стандартной площади футбольного поля (7140 кв. м). Такое поле, если бы кто-то сумел его скомкать, целиком поместилось бы в крупинке MOF-177 массой всего 1,3 г.