Νερό ερήμου

Πώς θα σας φαινόταν αν όχι μόνο η απέραντη θάλασσα που απλώνεται μπροστά σας αλλά και ο αέρας που αναπνέετε μπορούσαν να μετατραπούν σε πόσιμο νερό; Ο γαλάζιος πλανήτης μας είναι υγρός: καλύπτεται κατά 71% από υγρό νερό, έχει υδρατμούς στην ατμόσφαιρά του, παγετώνες στους πόλους και στις βουνοκορφές του και υδροφόρους ορίζοντες στο υπέδαφός του. Ωστόσο το 96,5% από όλο αυτό το νερό είναι αλμυρό, ενώ από το 3,5% που απομένει ελάχιστο είναι προσβάσιμο στους ανθρώπους. Σύμφωνα με τον Οργανισμό Ηνωμένων Εθνών, περίπου 700 εκατομμύρια άνθρωποι σε 43 χώρες (μεταξύ των οποίων και ανεπτυγμένες, όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες) αντιμετωπίζουν πρόβλημα ύδρευσης. Και ο αριθμός αυτός αναμένεται να αυξηθεί στα 1,8 δισεκατομμύρια ως το 2025. Η αναζήτηση μεθόδων παραγωγής νερού, ιδανικά πόσιμου, αποτελεί λοιπόν ένα ζήτημα το οποίο απασχολεί εδώ και πολύ καιρό τους επιστήμονες και θα συνεχίσει να τους απασχολεί και στο μέλλον, καθώς η ανάγκη θα γίνεται πιο επιτακτική.

Για πολύ μεγάλο διάστημα οι προσπάθειες επικεντρώνονταν κυρίως στην αφαλάτωση του θαλασσινού νερού, την τελευταία δεκαετία όμως έχουν κάνει την εμφάνισή τους και πιο φιλόδοξες προτάσεις, οι οποίες στρέφονται στην ατμόσφαιρα. Ετσι, παρά το γεγονός ότι συχνά λέμε πως δεν μπορούμε να φάμε αέρα κοπανιστό, ίσως σύντομα να μπορούμε να τον… πιούμε, μέχρι και στην καρδιά της ερήμου! Αν και τα συστήματα του είδους δεν μπορούν προς το παρόν να προσφέρουν γάργαρο τρεχούμενο νερό σαν αυτό των βουνίσιων πηγών, όλα τους είναι υποσχόμενα και, εν όψει της κλιματικής αλλαγής, θα μπορούσαν να αποβούν χρήσιμα ακόμα και σε υδρολογικά «τυχερές» χώρες όπως η δική μας.

Οι περισσότερες μέθοδοι που παράγουν νερό από τον αέρα εκμεταλλεύονται την ομίχλη ή την πρωινή και βραδινή δροσιά. Πρόσφατα ωστόσο μια ομάδα ερευνητών από τις Ηνωμένες Πολιτείες προχώρησε τα πράγματα σε… άλλο επίπεδο εξάγοντας νερό από τον αέρα της ερήμου. Σκεπτόμενοι ότι ακόμα και στα πιο ξηρά περιβάλλοντα της Γης η ατμόσφαιρα περιέχει πάντα ένα ποσοστό υγρασίας, οι επιστήμονες με επικεφαλής την Εβελιν Γουάνγκ από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) θέλησαν να εκμεταλλευθούν το γεγονός για να προσφέρουν νερό –και μια ελπίδα επιβίωσης –σε περιοχές όπου αυτό δεν υπάρχει σε καμία μορφή. Η αρχική ιδέα τους είχε δημοσιευθεί πέρυσι στην επιθεώρηση «Science» προκαλώντας ιδιαίτερη αίσθηση. Στο διάστημα που μεσολάβησε η ομάδα, στην οποία μετέχουν επίσης ερευνητές από τα πανεπιστήμια της Αριζόνας στο Τέμπε και της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, επέφερε ορισμένες βελτιώσεις και τον περασμένο Μάρτιο απέδειξε ότι η μέθοδός της είναι πλήρως λειτουργική κάνοντας δοκιμές πεδίου στη «στεγνή» Αριζόνα.

Χρησιμοποιώντας μεταλλο-οργανικά πλέγματα (MOF) –σχετικά νέας τεχνολογίας υλικά τα οποία έχουν μεγάλη επιφάνεια δράσης –η συσκευή των επιστημόνων από τις ΗΠΑ επέδειξε εντυπωσιακές επιδόσεις. Οπως ανέφεραν στη δεύτερη δημοσίευσή τους στην επιθεώρηση «Nature Communications», το σύστημά τους παρήγαγε πόσιμο νερό από τον σχεδόν εντελώς ξηρό αέρα της ερήμου, σε συνθήκες με υγρασία μόλις 10%. Οι υπάρχουσες μέθοδοι «άντλησης» νερού από τον αέρα απαιτούν πολύ υψηλότερη υγρασία για να είναι αποτελεσματικές –συγκεκριμένα οι μέθοδοι που εκμεταλλεύονται την ομίχλη χρειάζονται 100% υγρασία, ενώ εκείνες που εκμεταλλεύονται τη δροσιά χρειάζονται 50%. Επίσης, τα συστήματα αυτών των δύο κατηγοριών συνήθως απαιτούν και μεγάλες ποσότητες ενέργειας, ενώ η νέα συσκευή λειτουργεί αποκλειστικά με ηλιακή ενέργεια.

Το πρωτότυπο μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε στις δοκιμές ήταν μικρού μεγέθους –μόνο και μόνο όσο χρειαζόταν για να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Οι δημιουργοί του όμως επισημαίνουν ότι μπορεί πολύ εύκολα να «μεγαλώσει». Υπολογίζουν ότι η απόδοσή του θα είναι πάνω από μισό λίτρο πόσιμου νερού για κάθε κιλό MOF που χρησιμοποιείται –αυτό σημαίνει ότι μια συσκευή δέκα κιλών θα μπορεί να παράγει περισσότερο από πέντε λίτρα νερό την ημέρα. Εκτιμούν μάλιστα ότι με έναν ακόμα καλύτερο σχεδιασμό των υλικών η απόδοση μπορεί εύκολα να τριπλασιαστεί. Αν αυτό επιτευχθεί, θα είναι το μοναδικό σύστημα το οποίο θα μπορεί να προσφέρει πόσιμο νερό σε οποιοδήποτε περιβάλλον, με μια σχετικά μικρού βάρους συσκευή η οποία δεν θα απαιτεί αντλίες και πιεστικά συστήματα ούτε γεννήτριες και μπαταρίες –το μόνο που θα χρειάζεται θα είναι άφθονη λιακάδα.

Οσον αφορά τις μεθόδους που εξάγουν νερό από την ομίχλη ή από τη δροσιά, ένα εγγενές πρόβλημά τους έγκειται στον συνδυασμό των ιδιοτήτων των υλικών τους. Τα συστήματα του είδους συλλέγουν σταγονίδια από τον αέρα, τα οποία στη συνέχεια πρέπει να μεταφερθούν στη δεξαμενή όπου παράγεται το νερό. Αυτό, όπως λένε οι ειδικοί του τομέα, είναι «δίκοπο μαχαίρι», καθώς οι ζητούμενες ιδιότητες ουσιαστικά αλληλοακυρώνονται. Από τη μια πλευρά τα υλικά των διατάξεων συλλογής του νερού δεν θα πρέπει να «παγιδεύουν» πολύ καλά τα σταγονίδια ώστε να τους επιτρέπουν να κυλάνε προς τη δεξαμενή, από την άλλη όμως, αν κάνουν κάτι τέτοιο, η απόδοση μειώνεται, αφού «πιάνουν» λιγότερο νερό από αυτό που είναι διαθέσιμο. Η συμβιβαστική λύση που έχει υιοθετηθεί από τα περισσότερα υπάρχοντα συστήματα είναι η χρήση κάθετων επιφανειών από υδροφοβικά υλικά. Οταν η ομίχλη έρχεται σε επαφή μαζί τους, ένα ποσοστό σταγονιδίων συμπυκνώνεται επάνω τους και, χάρη στη βαρύτητα, κυλάει προς τα κάτω. Το ποσοστό αυτό ωστόσο είναι μικρό.

.

Δύο επιστήμονες από τις ΗΠΑ, ο Σιανμίνγκ Ντάι από το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ντάλας και ο Τακ-Σινγκ Γουόνγκ από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια, παρουσίασαν πέρυσι μια λύση σε αυτή τη σπαζοκεφαλιά. Ανέπτυξαν ένα υλικό το οποίο είναι κατά 200% πιο αποδοτικό από ό,τι τα υδροφοβικά υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως. Αντίθετα με αυτά, το υλικό τους είναι υδρόφιλο: «μαζεύει» περισσότερα σταγονίδια επειδή προσδένεται στα μόρια του νερού, αλλά παράλληλα είναι και έξυπνα σχεδιασμένο ώστε να τους επιτρέπει να κυλάνε. Ουσιαστικά πρόκειται για επιφάνειες από πυρίτιο στις οποίες οι επιστήμονες χάραξαν μικροσκοπικές αυλακώσεις βάθους 20 και πάχους 50 χιλιοστών ώστε να αυξήσουν την επιφάνεια στην οποία προσδένεται το νερό.

Στη συνέχεια δημιούργησαν επίσης στην επιφάνειά του πυριτίου προεξοχές στη νανοκλίμακα, τις οποίες πέρασαν με σιλάνιο. Τέλος έκαναν το «φινίρισμα» με μια λεπτή στρώση από υδρόφιλο λιπαντικό το οποίο κόλλησε στην ανώμαλη νανοϋφή που είχαν δημιουργήσει. Καθώς το λιπαντικό είναι υγρό και τα μόριά του βρίσκονται σε διαρκή κίνηση, δεν δημιουργεί σταθερούς δεσμούς με τα μόρια του νερού όπως θα συνέβαινε αν επρόκειτο για κάποιο στερεό υδρόφιλο υλικό. Ετσι τα σταγονίδια του νερού παγιδεύονται στην επιφάνεια αλλά εξακολουθούν να κινούνται ώστε να σχηματίζουν σιγά-σιγά μεγαλύτερες σταγόνες, οι οποίες, με τη βαρύτητα, πέφτουν προς τη δεξαμενή.

Οπως περιέγραψαν στη σχετική δημοσίευσή τους στην επιθεώρηση «Science Advances» οι επιστήμονες δοκίμασαν το υλικό τους σε ένα δωμάτιο με έναν κοινό υγραντήρα του εμπορίου τον οποίο έθεσαν σε συνεχή λειτουργία επί δύο εβδομάδες. Τα αποτελέσματα ήταν θεαματικά, αφού είδαν ότι μια επιφάνεια ενός τετραγωνικού μέτρου από το υλικό τους μπορούσε να συλλέξει περισσότερα από 100 λίτρα νερού την ημέρα. Αυτό σημαίνει ότι η απόδοσή του είναι δεκαπλάσια σε σχέση με τα περισσότερα υπάρχοντα συστήματα τα οποία μπορούν σε γενικές γραμμές να συλλέξουν από 1 ως 10 λίτρα νερού την ημέρα. Επιπλέον η κατασκευή του είναι εύκολη και έχει χαμηλό κόστος ενώ, σύμφωνα με τους δημιουργούς του, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος για την εξοικονόμηση ενέργειας μέσω της συλλογής υδρατμών.

Για να φθάσουμε ωστόσο στα σημερινά επίπεδα των «πηγαδιών του αέρα», όπως τα ονομάζουν πολλοί, χρειάστηκαν πολλά χρόνια μελετών. Η ιδέα της άντλησης νερού από τον αέρα είχε αρχίσει να γοητεύει τους επιστήμονες από τις αρχές του 20ού αιώνα, όμως οι προσπάθειες έφθασαν να αποδώσουν καρπούς μόνο με το γύρισμα της χιλιετίας. Το πρώτο λειτουργικό σύστημα για τη συμπύκνωση νερού από τη δροσιά παρουσιάστηκε στην Ινδία από τον Γκίρζα Σαράν, σήμερα καθηγητή Αγροτικής και Βιολογικής Μηχανικής στο Ινστιτούτο Διαχείρισης του Αχμενταμπάντ. Σε μια επίσκεψή του στην άνυδρη παράκτια περιοχή Κουτς το 2001 ο ινδός επιστήμονας παρατήρησε ότι τις πρωινές ώρες σημαντική ποσότητα δροσιάς συμπυκνωνόταν στη στέγη ενός σπιτιού. Αποφάσισε να διερευνήσει το φαινόμενο περισσότερο μιλώντας με τους ντόπιους και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι θα μπορούσε κάποιος να το εκμεταλλευθεί για την παραγωγή νερού.

Εξασφαλίζοντας χρηματοδότηση από την τοπική Υπηρεσία Ενέργειας και την Παγκόσμια Τράπεζα, στρώθηκε στη δουλειά μαζί με τους συνεργάτες του και σύντομα ανέπτυξαν παθητικούς συμπυκνωτές ακτινοβολίας για να προσφέρουν νερό στην Κουτς. Αρχικά πειραματικό, το σύστημά τους κυκλοφόρησε στην αγορά το 2006, ενώ παράλληλα έκαναν την εμφάνισή τους και άλλα συστήματα. Πέραν των παθητικών, μια άλλη προσέγγιση είναι αυτή των ενεργών συστημάτων, τα οποία όμως απαιτούν πολλή ενέργεια –πρόβλημα το οποίο πολλοί επιστήμονες προσπαθούν να λύσουν. Πέραν της χρήσης ανεμογεννητριών ή της γεωθερμικής ενέργειας που έχουν προταθεί, μια «ωφέλιμη» μέθοδος είναι η εκμετάλλευση υποδομών οι οποίες έτσι κι αλλιώς λειτουργούν για άλλον σκοπό και παράγουν ως υποπροϊόν το νερό. Στην περίπτωση αυτή το νερό που προκύπτει δεν είναι πόσιμο, αλλά δεν παύει να είναι χρήσιμο. Ο Μπουρτζ Χαλίφα για παράδειγμα, ο υψηλότερος ουρανοξύστης του κόσμου στο Ντουμπάι, παράγει κάθε χρόνο από το σύστημα κλιματισμού του 57.000 κυβικά μέτρα νερού με τα οποία ποτίζονται τα φυτά στους κήπους του.

Οι βασικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την αφαλάτωση του νερού είναι δύο. Στη μία συλλέγονται οι υδρατμοί από τον βρασμό του θαλασσινού νερού ενώ στη δεύτερη το θαλασσινό νερό φιλτράρεται μέσα από μεμβράνες οι οποίες συγκρατούν το αλάτι. Ο βρασμός συνηθίζεται στη Μέση Ανατολή, γιατί εκεί έχει μικρότερο κόστος, όμως στον υπόλοιπο κόσμο προτιμάται η δεύτερη διαδικασία, η οποία είναι γνωστή ως αντίστροφη ώσμωση. Εδώ ωστόσο υπάρχει ένα πρόβλημα σε σχέση με την ποσότητα και την ποιότητα: με τις υπάρχουσες μεμβράνες για να φιλτραριστεί καλά το νερό πρέπει να έχει αργή ροή, οπότε όσο πιο «καθαρό» από αλάτι είναι το νερό που προκύπτει τόσο μικρότερη είναι η απόδοση του συστήματος.

Στη μελέτη του ο Τιούρινγκ είχε περιγράψει πώς μια μόνο χημική αντίδραση μπορεί να δημιουργήσει πολύπλοκα μοτίβα σε ένα υλικό αν υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες – ουσιαστικά πρότεινε μια ερμηνεία για το πώς στη φύση βλέπουμε να σχηματίζονται σε διάφορες επιφάνειες μοτίβα όπως εξογκώματα και ραβδώσεις. Ο Λιν Ζανγκ από το Πανεπιστήμιο της Ζετζιάνγκ στη Χανγκζού και οι συνεργάτες του σκέφτηκαν να δημιουργήσουν οι ίδιοι τις συνθήκες που περιέγραψε ο μεγάλος κρυπτογράφος ώστε να «σχεδιάσουν» συγκεκριμένα μοτίβα τα οποία θα έκαναν τις μεμβράνες αφαλάτωσης πιο αποδοτικές. Προσαρμόζοντας τη μέθοδο και χρησιμοποιώντας ως βάση ένα κοινό πλαστικό, την πολυαμίδη, πέτυχαν να «σκαλίσουν» στην επιφάνειά του πολύπλοκα μοτίβα στη νανοκλίμακα – μικροσκοπικές κοιλότητες, φουσκάλες και αυλακώσεις τις οποίες ονόμασαν «δομές Τιούρινγκ».
Οι μεμβράνες με δομές Τιούρινγκ που ανέπτυξαν δοκιμάστηκαν συγκριτικά με 16 τύπους μεμβρανών που χρησιμοποιούνται σήμερα στα συστήματα αφαλάτωσης και αποδείχθηκαν κατά πολύ ανώτερες όλων: αφαιρούν τα άλατα και το αλάτι από το νερό πέντε φορές πιο γρήγορα από το πιο αποδοτικό συμβατικό μοντέλο που κυκλοφορεί στην αγορά.