Управління водою. Як людство буде рятувати себе від посухи і спраги

Багато регіонів планети відчувають дефіцит прісної води. І ця проблема буде посилюватися через глобальне потепління. Для її вирішення технологічна думка працює в двох напрямках. По-перше, як викликати дощ навіть в екстремальних умовах 50-градусної спеки. По-друге, як дешевше добувати прісну воду з морської води і повітря.

Дощовий електростимулятор

У липні Національний центр метеорології Об'єднаних Арабських Еміратів опублікував кілька відео, на яких автомобілі проїжджають під сильним дощем у Шарджі, Абу-Дабі, Аль-Айні, Рас-ель-Хаймі. Через проливні дощі навіть з'явилися водоспади, і умови водіння стали небезпечними. Як зазначає The Washington Post, ці зливи стали результатом однієї з новітніх спроб ОАЕ збільшити кількість опадів у пустельній країні.

Вода — велика проблема в ОАЕ. Населення країни за останні 15 років зросла майже в 2,5 рази — з 4,1 до 9,9 млн осіб. Відповідно, зросла і потреба в прісній воді. Зараз країна використовує близько 4 куб. км води за рік, але лише близько 4% забезпечується за рахунок природних водних ресурсів.

В останні роки великий розвиток в ОАЕ отримала технологія опріснення морської води. За даними уряду ОАЕ, зараз 42% всієї води і, зокрема, більше половини питної води, використовуваної в країні, надходить з опріснювальних заводів, яких налічується вже близько 70.

Але влада країни хоче більшого — навчитися управляти кліматом. Зазвичай в ОАЕ дощі йдуть лише кілька днів на рік. Влітку опадів майже немає. У цьому році на початку червня там три дні поспіль фіксувалася рекордна температура вище 51°C. Такі кліматичні умови сильно ускладнюють ведення сільського господарства і змушують країну імпортувати більше 80% продуктів харчування.

У 2017 р. ОАЕ інвестували $15 млн у дев'ять різних проєктів по створенню дощу. У більшості цих проєктів використовуються традиційні методи засіву хмар. Липневі штучні дощі, за даними Національного центру метеорології ОАЕ, були викликані саме таким способом. Операції по засіву хмар здійснюються за допомогою пілотованих літаків, які запускають у хмари йодисте срібло або сіль, щоб викликати збільшення кількості опадів.

Однак головний сюрприз не в цьому. Один з вищезазначених дев'яти проєктів запропонував абсолютно нову технологію стимулювання дощу. Вона не засіває хмари ніякими хімічними речовинами, а замість цього стріляє по хмарах електричними зарядами.

Цей проєкт розроблений групою вчених з Редінгського університету в Англії. Дослідники виявили, що електричні заряди, які б'ють у хмари, струшують краплі і змушують їх злипатися. Потім краплі, що утворюються більш великими, падають у вигляді дощу на землю — і досягають її, а не випаровуються в повітрі. У пустельних країнах, таких як ОАЕ, де повітря гаряче, а хмари високі, дощі з дрібних крапель часто випаровуються, так і не встигнувши пролитися на землю. "Що ми намагаємося зробити, так це зробити краплі всередині хмар досить великими, щоб, коли вони випадають з хмари, вижили до поверхні", — пояснює ведуча учасниця проєкту Керрі Ніколл.

Щоб перевірити свої розробки, Ніколл і її команда побудували чотири дрона з розмахом крил близько 2 м, що оснащені випромінювачами заряду. Дрони, що запускаються з катапульти, можуть літати близько 40 хв. Під час польоту датчики дрона вимірюють температуру, вологість та інші характеристики хмари. Це дозволяє дослідникам вибрати найбільш підходящий момент для пострілу електричним зарядом, щоб викликати дощ.

"Рівень грунтових вод в ОАЕ знижується, — відзначає професор Редінгського університету Маартен Амбаум. — І мета цього проєкту — збільшити кількість опадів". Випробування повинні завершитися до кінця року. Якщо результати будуть визнані успішними, то можна очікувати, що влада ОАЕ не обмежаться фінансуванням досліджень і перейде до впровадження цієї розробки в промислових масштабах.

Утім, нова технологія може не тільки конкурувати з традиційною, але і доповнювати її. Керрі Ніколл хоче, щоб майбутні проєкти поєднували зарядку хмар з їх засівом. Як вважає дослідниця, використання заряджених частинок солі може зробити засів хмар більш ефективним.

Китайська система управління погодою

У кінці минулого року Китай оголосив про плани п'ятикратного розширення експериментальної програми зміни погоди. Згідно із заявою Держради до 2025 р. Китай матиме "розвинену систему зміни погоди" завдяки досягненням в фундаментальних дослідженнях і ключових технологіях. Загальна площа, що вкрита штучним дощем або снігопадом, у найближчі п'ять років досягне 5,5 млн кв. км, тобто більше половини території країни. Це допоможе боротися з посухою і лісовими пожежами, а також запобігати граду.

Китай давно прагнув контролювати погоду, щоб захистити сільськогосподарські угіддя та забезпечити чисте небо для ключових подій. Так, він засіяв хмари перед Олімпійськими іграми в Пекіні в 2008 р., щоб зменшити смог і уникнути дощу перед змаганнями. Таким же чином забезпечувалося чисте небо на саміті G20 в Ханчжоу в вересні 2016 р.

У вересні 2017 р. китайське державне інформагентство "Сіньхуа" повідомило, що в 2012-2017 рр. Китай витратив 8,8 млрд юанів ($1,34 млрд) на підтримку програми зміни погоди в рамках зусиль по зменшенню посухи і мінімізації впливу стихійних лих. Завдяки цим технологіям Китай за п'ять років викликав 233,5 куб. км додаткових опадів. Це в три рази більше, ніж обсяг найбільшого китайського озера Цінхай.

Політику, що лежить в основі управління хмарними водними ресурсами в Китаї, проаналізували дослідники з Національного тайванського університету. У статті, опублікованій в науковому журналі Geoforum у жовтні 2017 р. вони підкреслили, що відсутність належної координації дій зі зміни погоди може призвести до звинувачень у "крадіжці дощу". Також вони вказали на волюнтаризм керівництва КНР. У Китаї "наукові докази і економічне обгрунтування зміни погоди не підлягають дебатів або широкого обговорення, — зазначили автори статті. — Крім того, схильність керівництва до технологічного втручання в приборкання різних погодних систем рідко оспорюється альтернативними точками зору".

До цього, в січні 2017 р. стало відомо, що уряд Китаю схвалив виділення 1,5 млрд юанів ($168 млн) на проєкт зі зміни погодних умов у північно-зрхідних регіонах країни, які страждають від посухи, загальною площею 960 тис. кв. км. Щоб направити туди дощові хмари, було заплановано протягом трьох років купити чотири нових "погодних" літаки і модернізувати вісім наявних, розгорнути 897 ракетних пускових комплексів.

Як зазначає The Guardian, частиною цієї програми є нова система зміни погоди на Тібетському плато. Китайські вчені працюють над амбітним планом "Тяньхе" ( "Небесна ріка"). За словами вчених, вони виявили потенційні канали біля кордону тропосфери (10-12 км над рівнем моря), за якими щорічно може проходити 5 куб. км води. Китайська корпорація аерокосмічної науки і технологій (CASC) побудувала сотні камер у гірському районі для подачі в атмосферу йодистого срібла у великих кількостях.

Ця спроба гідротехнічної перебудови неба могла б полегшити дефіцит води на посушливому північному заході Китаю, але може посилити проблеми в Південно-Східній Азії і Індії, якщо порушити водний режим річок Меконг, Салуїн і Брахмапутра — всі вони беруть свій початок на Тібетському плато. Індійські медіа вже висловлювали побоювання, що Китай використовує погоду в якості зброї і, можливо, вже порушує режим випадання опадів.

The Guardian підкреслює, що китайська програма по засіву хмар — найбільша в світі, в ній уже працюють близько 35 тис. осіб. І ось тепер вона до 2025 р. повинна бути розширена більш ніж у п'ять разів. Це означає, що всі побоювання виростуть ще сильніше.

Нові технології опріснення

У даний час основним методом очищення морської води є зворотний осмос. Його використовують приблизно 20 тис. опріснювальних установок по всьому світу. Але ці об'єкти вимагають величезної кількості електроенергії для роботи. Тому вчені шукають нові рішення, які не настільки енерговитратні.

Одне з таких рішень — мембранна дистиляція. Слабкою ланкою цієї технології до сих пір були мембрани. Їх термін служби був занадто коротким — близько пару днів. Але в липні цього року вчені з Корейського інституту цивільних інженерних і будівельних технологій представили нову розробку, яка за допомогою мембранної дистиляції робить морську воду придатною для пиття за кілька хвилин, забезпечуючи очищення води від солі на 99,9%. Пристрій стабільно виробляє чисту питну воду протягом місяця, і лише після цього ступінь очищення води починає знижуватися.

Секрет — у мембрані. Її тривимірна ієрархічна структура створена з полімерного нановолокна за допомогою нанотехнології, відомої як електроспінінг (електропрядіння). В якості оболонки нановолокна використаний аерогель з невеликою домішкою полімеру. Ця мембрана в порівнянні з іншими має набагато більшу шорсткість поверхні і низьку теплопровідність, а завдяки цьому — набагато кращими експлуатаційними характеристиками, в тому числі великим терміном служби.

Інше рішення придумала команда з Національного університету Сінгапуру. У жарких прибережних регіонах величезна кількість цінної води щодня випаровується з поверхні океану. Це навело вчених на думку створити гідрогель, який би вбирав вологу з морського повітря, перетворюючи її в прісну воду.

Сінгапурська команда розробила матеріал, що здатність поглинання якого у вісім разів перевищує звичайні осушувачі, такі як силікагель або хлорид кальцію. Новий гідрогель абсорбує в чотири рази більше своєї сухої ваги. До того ж, на відміну від традиційного осушувача, для виведення вологи не потрібна електрика. І цей гель можна використовувати повторно до тисячі разів.

У польових випробуваннях на поверхню океану помістили плаваючу конструкцію, заповнену цим гідрогелем. Під впливом температури вода поступово випаровувалася, а крихітні краплі вологи збиралися на гелі. Як тільки він просочився повністю, гель помістили в закритий скляний контейнер і залишили його на сонці. Нагрівшись до 45-50 ºC, гель сам віддав зібрану воду у вигляді конденсату.

Кілограм матеріалу, якщо використовувати його цілий день, може виробити 10 л прісної води. Дослідники збираються ще більше посилити поглинаючу здатність гідрогелю та оптимізувати процес збору води. "Наш винахід можна масштабувати до розмірів плавучої станції опріснення", — вважає керівник проєкту професор Тан Сві Чин. За його оцінкою, така станція без витрат енергії може опріснювати до 1000 л у день.

Вода з повітря

Свій внесок у вирішення проблеми дефіциту питної води вирішили внести інженери знаменитого Калтеха — Каліфорнійського технологічного інституту, в якому навчалися і викладали 76 нобелівських лауреатів. Звичайно, їх розробка на Нобелівку не тягне, але вона точно оригінальна і дотепна. Нова система отримує чисту воду з двох різних джерел — вдень вона займається очищенням забруднених вод, а ночами збирає краплі туману.

Секрет цієї установки — теж у хитрій мембрані. Інженери Калтеха виготовили мембрану з гідрогелю з вкрай специфічним візерунком. Її поверхня покрита наноструктурами, що нагадують колючки кактуса, тільки зроблені вони з гідрофільного матеріалу, що усмоктує воду.

"Кактуси унікальним чином пристосовані до виживання в посушливому кліматі, — пояснив співавтор винаходу Є Ши. — У нашому випадку ці колючки, які ми називаємо мікродеревами, залучають мікроскопічні краплі води, що летять у повітрі. Краплі стікають по мікродеревам вниз, до основи, і з'єднуються з іншими краплями. Вони поступово заповнюють резервуар водою, яку можна використовувати".

Мембрана знаходиться в контейнері, над резервуаром з брудною водою. Вдень вона вбирає тепло сонячного світла, нагріваючи резервуар з вмістом. Пар осідає на прозорій кришці і стікає в цистерну. Вночі цю кришку знімають, мембрана абсорбує вологу з навколишнього повітря.

Інженери протестували свій винахід в реальних умовах на кількох зразках матеріалу. Один квадратний метр мембрани дозволить, за їхніми підрахунками, отримувати до 34 л питної води щодня.

Цілком можливо, що подібні технології увійдуть органічною частиною в концепцію "екологічного розумного будинку". Тим більше що технології будуть і далі вдосконалюватися, а проблема дефіциту чистої питної води — і далі загострюватися.