Вода з пилу. Світ стоїть на порозі питної революції

Про багатьох наукових відкриттях кажуть, що вони вплинули на життя людства. Але про небагатьох — що вони здатні змінити спосіб життя і навіть образ думки цілого народу.

Саме про такому відкритті розповів журнал Science 13 квітня. А народ, для якого воно може мати доленосне значення, — це араби, точніше, всі 350-мільйонне населення країн арабського світу від Марокко на заході до Іраку і Омана на сході.

З кілограма пилу — майже три літри води щодня

Одна з головних проблем арабів — одвічне дефіцит чистої прісної води. Зрозуміло, що ця проблема хвилює жителів усіх посушливих і пустельних регіонів. І, незважаючи на весь технологічний прогрес, вона не втрачає гостроти. Населення планети зростає, а з ним і потреба у воді. Однак існуючі методи водоочищення досить енергоємні і дороги, тому далеко не всі можуть їх собі дозволити.

Ситуацію може виправити винахід хіміків з Каліфорнійського університету в Берклі (UC Berkeley) і інженерів з Массачусетського технологічного інституту (MIT). Разом вони створили пристрій, здатне вразити своїми можливостями кожного, хто живе в жаркому кліматі.

В це пристрій потрібно спозаранку засипати кілограм пилу — тільки не звичайною, а особливою, в тому й секрет. І до вечора воно створить 2,8 л абсолютно чистої води. До наступного вечора — ще 2,8 л. І так кожен день. Досипати пил при цьому не треба, вона вічна. Електроживлення або якого-небудь палива пристрою теж не треба, воно само буде працювати вічно. В MIT провели тести в реальних умовах — пристрій працює.

Звичайно, ніякого дива тут немає. Але, втім, кожен житель посушливої або пустельній місцевості буде вникати в тонкощі технології? Для багатьох це буде просто диво з волі Всевишнього. І їх не буде цікавити, що вода береться не з нічого, а з повітря. Енергія — теж не з нічого, а з потоку сонячного світла. Вже його-то в спекотному кліматі завжди вистачає, інакше не було б спеки, який і робить пустелю безводній.

Через спеку вода випаровується в повітря (але зрозуміло, звідти нікуди не зникає). І його абсолютна вологість тим вище, чим вище температура. Так що навіть в самому сухому тропічному кліматі води в повітрі цілком достатньо. Потрібно тільки її звідти витягти.

Секрет чарівного речовини

Що ж стосується чарівної пилу, диво — не вона, а її творці. І насамперед — хімік з UC Berkeley Омар Ягхи (Omar Yaghi). Саме він придумав і створив спеціальний матеріал, так звану метал-органічний каркасну структуру, або MOF (metal-organic framework), який активно поглинає молекули води з повітря.

Робота над винаходом зайняла близько трьох років. У 2014 р. Омар Ягхи і його команда в UC Berkeley синтезували MOF, що є поєднанням металу цирконію і органічної речовини — адипінової кислоти. Переконавшись, що цей матеріал добре збирає водяна пара, Омар Ягхи запропонував інженеру-механіку MIT Евелін Ванг (Evelyn Wang) використовувати MOF в системах збору води.

Сконструйована Евелін Ванг і її студентами система містить приблизно 1 кг кристалів MOF розміром з порошинки, поміщених всередину відсіку, відкритої для доступу повітря. Відсік розташований між сонячною панеллю і конденсатором вологи. По мірі того як навколишній повітря проходить через матеріал MOF, молекули води затримуються в його внутрішніх порах. Дослідження методом рентгенівської дифракції показали, що молекули води найчастіше групуються по вісім у формі куба.

Але всередині пилу вода не затримується, так як під впливом сонячної енергії, яка збирається з допомогою сонячної панелі, вона перетворюється в пару і йде в конденсатор, температура якого відповідає температурі навколишнього повітря. Сконденсованих вода стікає в ємність-накопичувач. Пристрій працює весь час, поки є сонячне світло.

Створений прототип пристрою, що містить 1 кг пилу з MOF і працює завдяки сонячному світлу, показав на тестуванні, що він здатен за 12 годин добути з повітря 2,8 л води при відносній вологості повітря 20-30%, характерною для посушливого клімату. Омар Ягхи підкреслює, що це досягнення дозволяє вирішити задачу, яка довгий час стояла перед людством, — добувати воду з повітря при низькій вологості. На даний момент, якщо не вважати нової розробки, не існує іншого способу зробити це, крім таких методів, які вимагають використання величезної кількості енергії, з-за чого отримується вода виявляється дуже дорогою, недоступною за ціною звичайним людям.

Хто на цьому заробить

Розробники планують поліпшити показники, зробивши свій винахід ще більш ефективним. Як пояснює Омар Ягхи, нинішній концепт ще належить чимало вдосконалювати. Існуючий матеріал MOF здатний абсорбувати воду в обсязі не менше 20% від своєї ваги, проте передбачається, що інші матеріали MOF зможуть вбирати вдвічі більше.

"Справа не тільки в тому, що ми створили пасивне пристрій, який стоїть собі, збираючи воду. Ми заклали як експериментальні, так і теоретичні основи, щоб знайти ще кращі матеріали MOF. Існує великий потенціал для збільшення обсягу збирається води, тепер це лише питання подальшого розвитку технології", — каже Омар Ягхи.

Поки він та його команда працюють над поліпшенням своїх MOF, Евелін Ванг продовжує вдосконалювати конструкцію системи, щоб виробляти більше води. Зокрема, можна зробити так, щоб система працювала цілодобово, накопичуючи воду вночі і поступово віддаючи її протягом дня. Адже MOF збирає воду в будь-який час доби, світло потрібен тільки для того, щоб витягти її з чарівної пилу. Також енергію світла можна використовувати, щоб всмоктувати навколишній повітря і прокачувати його через систему, тим самим значно збільшивши швидкість збору води.

"Ми хочемо забезпечити, щоб завдяки цьому пристрою можна було вижити в пустелі, навіть якщо води чекати нізвідки", — підкреслює Евелін Ванг. Як і Омар Ягхи, вона впевнена, що у їх винаходу велике майбутнє.

Для цієї впевненості є підстави. Перед будь-яким винахідником стоїть проблема знайти інвестора. А Омар Ягхи вирішив цю проблему ще три роки тому, коли став співдиректором Каліфорнійського дослідницького альянсу (CARA), створеного німецьким хімічним гігантом BASF. Згідно з останнім річним звітом активи концерну BASF на кінець 2016 р. коштували 76,5 млрд євро, чистий прибуток за 2016 р. склала 4,06 млрд євро. Так що коли пристрій Омара Ягхи і Евелін Ванг буде готовий до промислового впровадження, гроші на організацію і запуск виробництва напевно знайдуться.

Дадуть Омару Ягхи Нобелівку з хімії

Зараз звичайний середньостатистичний араб, напевно, не назве жодного сучасного арабського вченого в галузі природничих наук. Українці, до речі, теж у переважній більшості своїй не назвуть жодного з нинішніх українських вчених, крім Бориса Патона, який очолює НАНУ вже 55 років.

Між тим Омар Ягхи — це не якийсь там рядовий хімік, і його винахід — аж ніяк не випадкова удача. В топ-100 найбільш цитованих хіміків всього світу за 2000-2010 рр. він зайняв друге місце.

Народився він у столиці Йорданії Аммані у 1965 р. У віці 15 років, розташовуючи фінансовою підтримкою батька, переїхав до США і став там першокласним вченим.

Більше 20 років тому Омар Ягхи винайшов метал-органічні каркасні структури (MOF), поєднавши такі метали, як магній і алюміній, з органічними молекулами, щоб вийшов міцний, але пористий матеріал, чудово підходить для зберігання газів і рідин. Молодий хімік успішно розвинув роботу над MOF від фундаментальної науки до застосувань в екологічно чистих енергетичних технологіях, включаючи зберігання водню і метану, а також уловлювання та зберігання вуглекислого газу.

Його перші досягнення в розробці і синтезі нових матеріалів були удостоєні в 1998 р. премії Solid State Chemistry Award Американського хімічного товариства і компанії Exxon, в 1999 р. — медалі Сакконі Італійського хімічного товариства. Його робота за зберігання водню в MOF була відзначена журналом Popular Science, який включив Омара Ягхи у свій список Brilliant 10 найвидатніших учених і інженерів США в 2006 р.

У 2007 р. винахідник був удостоєний нагороди Міністерства енергетики США за видатний внесок у збереження водню, крім того, медалі Суспільства досліджень матеріалів за новаторську роботу в області теорії, дизайну, синтезу та додатків MOF, а також премії ім. Ньюкомба Клівленда Американської асоціації сприяння розвитку науки за кращу роботу, опубліковану в Science. У 2009-му Омар Ягхи став лауреатом премії Американського хімічного товариства з хімії матеріалів, а в 2010-му — Премії століття, яка щорічно присуджується британським Королівським хімічним товариством за популяризацію і видатний внесок у хімію.

Тому цілком імовірно, що він давно вже записаний в "чергу" Нобелівським комітетом. Новий винахід може стати додатковим аргументом. І не тільки воно. Концерн BASF зараз тестує один з матеріалів MOF Омара Ягхи в реальних вантажних автомобілях, що працюють на природному газі. Резервуар, заповнений цим MOF, вміщує в три рази більше метану, ніж можна закачати під тиском в порожній резервуар.

Причому тут образ думки арабів

При всій своїй зайнятості в США Омар Ягхи зберігає тісний зв'язок з арабським і мусульманським світом, бере активну участь у роботі інституту KACST (King Abdulaziz City for Science and Technology) у столиці Саудівської Аравії Ер-Ріяді. У 2015 р. він був нагороджений Міжнародною премією ім. короля Фейсала в галузі хімії. У тому ж році Організація ісламського співробітництва заснувала премію Мустафи, і Омар Ягхи став її першим лауреатом у галузі нанонаук і нанотехнологій.

Варто зазначити, що премія ім. короля Фейсала неофіційно називається Арабської Нобелівською премією. Вона присуджується в п'яти номінаціях: служіння ісламу, наукові роботи з ісламу, арабська мова та література, медицина, наука. Лауреатам вручається золота медаль вагою 200 г. з діамантом в 24 карата і грошову винагороду в розмірі $200 тис. Премія по науці присуджується з 1984 р. і налічує вже 41 лауреата, проте лише троє з них — араби, причому перші два отримали свої нагороди ще в 1989 і 1990 рр. Це говорить про те, як мало серед арабів вчених вищого світового рівня, до яких, безумовно, відноситься Омар Ягхи.

Зрозуміло, що причина тут в низькій популярності науки в широких верствах народу. Араби не гірше за інших справляються з освоєнням нових технологій. Але рухати вперед світову науку — таку мету ставлять перед собою лише одиниці, а для її досягнення доводиться їхати в США або Європу.

Диво-пристрій, що виробляє воду з повітря, звичайно, вплине на спосіб життя арабів. Але саме по собі воно навряд чи здатне змінити їх образ думки. Як не змінила його сонячна енергетика, вже багато років активно впроваджує в арабських країнах.

Проте відмінність усе ж є. Сонячні панелі — це чужоземний, західний фокус. А винахідник чарівної пилу Омар Ягхи — свій, араб з Йорданії. І цей фактор, безсумнівно, буде активно використовуватися при просуванні товару на ринок. Так само, як це роблять у нас, коли підкреслюють, що "свій до свого по своє (зі своїм)".

Напевно, ця штука спочатку не буде дешевою. Але її зможуть дозволити собі заможні люди. Якраз такі, хто зможе оплатити синам (про дочках мовчимо) гарну освіту. Бути може, саме ця штука, придумана арабом, сприятиме появі у арабських дітей бажання вивчитися, щоб самим займатися наукою, і в той же час підштовхне влади арабських країн до істотного підвищення фінансування природничих факультетів.

Принаймні, такий шанс є. І тому хочеться, щоб чарівна пил не залишилася казкою.

Футбольне поле в одній крупинці

Дослідниками різних країн світу вже створено понад 20 тис. різних метал-органічних каркасних структур (MOF). В самому престижному науковому журналі Nature кожен місяць виходить з півдюжини статей про цих матеріалах, їх дивовижні властивості і різноманітних застосуваннях.

Наприклад, MOF використовують як гіперчутливі сенсори, так як при взаємодії з певними речовинами вони змінюють свої фізичні властивості. C допомогою MOF прискорюють органічні реакції, використовуючи внутрішні пори цих структур, щоб наблизити реагенти один до одного. Також з допомогою MOF стабілізують вибухові або самозаймисті речовини, наприклад білий фосфор. У деякі типи MOF вставляють ліки і доводять їх до хворих органів, минаючи здорові. І це далеко не повний перелік того, що можна робити за допомогою матеріалів з родини, винайденого Омаром Ягхи.

Щоб оцінити, наскільки можуть бути фантастичними властивості MOF, наведемо один приклад. Створений Омаром Ягхи в 2006 р. матеріал, названий MOF-177, став абсолютним рекордсменом за питомою площею поверхні. Це найважливіша характеристика сорбентів. У кожному грамі MOF-177 сумарна площа поверхні всіх його становить 5640 кв. м. Це лише трохи менше стандартної площі футбольного поля (7140 кв. м). Таке поле, якби хто зумів його зім'яти, цілком помістилося б в крупинці MOF-177 масою всього 1,3 р.