Na novinku upozorňuje server Tech Explorist, který popisuje práci týmu kolem Svetlany Boriskiny z MIT. Vědci vyvinuli ultrazvukové zařízení, které dokáže z materiálů pro zachytávání vlhkosti – takzvaných sorbentů – uvolnit vodu mnohem rychleji a s násobně vyšší energetickou účinností než tradiční „ohřívání sluncem“. Studie vyšla v prestižním časopise Nature Communications pod názvem High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction.

Proč je ze vzduchu tak těžké „vyždímat“ vodu

Atmosférický sběr vody (atmospheric water harvesting, AWH) není science fiction. Za poslední roky vznikla řada houbičkovitých materiálů – hydrogely, polymery se solí nebo takzvané MOFy – které dokážou i v suchém vzduchu nasávat molekuly vody jako magnet. Přehled těchto technologií shrnuje třeba popularizační text na SciTechDaily. 

Úzké hrdlo ale přichází ve chvíli, kdy chcete vodu dostat ven. Většina dnešních systémů se spoléhá na tepelný cyklus: přes noc se sorbent nasytí vlhkostí, přes den jej ohřívá slunce, voda se z materiálu odpaří a na chladnějším povrchu zkondenzuje jako kapky. Funguje to, ale pomalu – u některých systémů trvá jeden cyklus hodiny až dny.

Jak trefně říká Boriskina, materiály, které jsou skvělé v zachytávání vody, „se jí nechtějí vzdát“. Když si představíte dokonale nacucanou houbičku, která se při mačkání skoro nehne, jste blízko. Právě tady se rodí myšlenka využít místo tepla vibrace.

Nápad z medicíny: co kdybychom vodu prostě vytřásli?

Zlom přišel ve chvíli, kdy se do týmu přidal doktorand Ikra Iftekhar Shuvo, který dříve pracoval s ultrazvukem pro nositelná medicínská zařízení. V rozhovorech s Boriskinou je napadlo, že by ultrazvuk mohl místo léčby použít „šokovou terapii“ na vodu uvězněnou v sorbentech – jemně, ale dostatečně razantně ji setřást z míst, kde se drží.

Ultrazvuk jsou vlastně zvukové vlny s frekvencí nad 20 kHz, tedy příliš vysoké na to, aby je člověk slyšel. Pokud takové vlny vedete do mechanického systému – třeba do membrány s položeným hydrogelem – rozkmitáte jej obrovskou rychlostí. V MIT týmu zjistili, že právě v tomto frekvenčním pásmu lze velmi efektivně narušit slabé vazby mezi molekulami vody a povrchem materiálu. Shuvo to obrazně popisuje jako „tanec vody s vlnami“ – v určitém okamžiku dostane voda takový impuls, že se odtrhne a vytvoří viditelné kapky.

Keramický prsten, membrána a tisíc tryskových otvorů

Srdcem nového zařízení je piezoelektrický keramický prsten, který po přivedení napětí začne vibrovat ultrazvukovou frekvencí. Na něj je napojená kovová membrána s tisícovkou mikroskopických otvorů (mikrotryskami), skrz které se uvolněná voda protlačí a spadne do sběrných nádob nad a pod zařízením.

Sorbent – v experimentu většinou hydrogel na bázi polyakrylamidu s rozpuštěným chloridem lithným (PAM-LiCl) – se položí přímo na střed vibrací. Jakmile je materiál nasáklý vodou, zapne se krátký ultrazvukový „výstup“: membrána se rozkmitá, voda se začne formovat v drobné kapky a během několika minut doslova prší skrz trysky dolů.

Na rozdíl od tepelných systémů se voda neuvolňuje jako pára, ale rovnou v kapalné formě. To je důležité z hlediska energetické náročnosti – odpařit vodu je totiž termodynamicky drahé, kdežto mechanicky ji vytřást z pórovitého materiálu může být mnohem levnější. Studie v Nature Communications ukazuje, že zařízení dosáhlo energetické účinnosti téměř 428 %, tedy zhruba 4× lepší, než je stav techniky u jedno­stupňových tepelných AWH systémů bez rekuperace tepla.

Test: ze vzorku plného vody je během pár minut suchý sorbent

Jak to vypadalo v laboratoři? Výzkumníci nejprve umístili čtvrt­dolarové (cca 2,5 cm) vzorky hydrogelu do komory s řízenou vlhkostí, kde materiál postupně nasával vodu z atmosféry. Po dosažení nasycení položili vzorek na ultrazvukový aktuátor a spustili vibrace.

Ve všech testovaných případech se podařilo vysušit vzorek během několika minut – ve srovnání s desítkami minut až hodinami, které by potřeboval klasický solárně ohřívaný systém. Kromě vlastních hydrogelů tým zkoušel i komerční sorbenty, aby ověřil, že koncept funguje napříč různými materiály. Všechny testy potvrdily, že ultrazvukový aktuátor je do značné míry „agnostický“: funguje s většinou materiálů, které dnes vývojáři pro AWH používají.

Právě tahle univerzálnost je pro praxi klíčová. MIT zařízení není konkurenční vůči sorbentům – je to spíš doplněk, který můžete připojit k jakémukoli materiálu, který dobře chytá vodu, ale špatně ji pouští.

45× efektivnější než slunce

Jedna z nejzásadnějších metrik, které studie řeší, je takzvaná specifická energetická náročnost – kolik energie potřebujete na uvolnění jednoho kilogramu vody. V ideálním tepelném procesu je spodní limit dán výparným teplem vody. Ve skutečných systémech ale musíte ohřívat i okolní materiál, ztrácíte teplo do prostředí a efektivita jde výrazně dolů.

Ultrazvuk je jiný příběh. Svým způsobem obchází „výparovou daň“: neodpařuje vodu, ale přímo rozbíjí slabé vazby, které ji drží v materiálu. Výsledkem je, že při srovnání se špičkovými tepelnými AWH zařízeními vychází nový systém zhruba 45× efektivnější. To neznamená, že porušuje fyziku – jen využívá jiný mechanismus uvolnění vody, který není omezen stejnými ztrátami jako zahřívání.

Autoři odhadují, že při použití malé solární elektrárny – panelu, který by současně mohl sloužit jako senzor nasycení materiálu – by bylo možné provádět uvolňovací cykly mnohokrát za den a výrazně tak zvýšit celkový denní výnos vody.

Okno jako domácí „výrobník“ vody

Jak by mohl takový systém vypadat v reálném světě? Boriskina v rozhovorech mluví o zařízení zhruba o velikosti okna: na vnější straně by byl rychle absorbující materiál, uvnitř místnosti by byl ultrazvukový aktuátor s malou sběrnou nádobou. Přes den by sorbent z okolního vzduchu nasával vlhkost, a jakmile by byl plný, krátký ultrazvukový impulz by vodu vytřásl a poslal do zásobníku.

V suchých regionech bez infrastruktury by taková „okenní čerpadla“ mohla poskytovat základní zdroj pitné vody nezávislý na podzemních zdrojích či cisternách. Ve městech by podobná zařízení mohla fungovat jako doplněk k vodovodní síti – třeba pro nouzové zásoby nebo v místech, kde voda často vypadává.

Samozřejmě, z laboratorního prototypu k masově nasaditelnému produktu vede dlouhá cesta: je potřeba spočítat náklady, optimalizovat výrobu piezoelektrických aktuátorů, vyřešit údržbu sorbentů a kvalitu vody (filtraci, mineralizaci). Ale princip – vysoká účinnost, krátké cykly, univerzálnost vůči materiálům – dává technickým i ekonomickým týmům dobrý startovní bod.

Není to samospasitelné, ale je to silná karta do vodního balíčku

Je důležité zdůraznit, že ultrazvukové vytřásání vody ze vzduchu není „jediným řešením“ globální vodní krize. Výzkumníci sami vidí tuto technologii jako jednu z karet v širším balíčku: vedle odsolování mořské vody, recyklace, lepšího hospodaření v zemědělství či snižování úniků v potrubních sítích.

Atmosférické systémy mají největší smysl tam, kde chybí jak povrchová, tak podzemní voda – typicky odlehlé oblasti, ostrovy nebo utečenecké tábory. Zároveň mohou fungovat off-grid, protože je lze napájet solárními panely. Ultrazvuková metoda navíc posouvá AWH blíž realitě tím, že zkracuje cykly ze „dnů“ na „minuty“.

Pro technologický rozvoj je důležité i to, že koncept funguje s širším spektrem sorbentů. Můžeme si tak představit, že různé regiony světa použijí jiné „houbičky“ podle lokálních podmínek a dostupných materiálů, ale stejný ultrazvukový „výčep“.

Když voda začne tancovat

Celý příběh má i symbolickou rovinu: ukazuje, jak často v inovacích nejde o „větší a silnější“ řešení, ale o chytřejší práci s tím, co už máme. Sorbentové materiály pro sběr vody existují roky. Až někdo z jiného oboru – z oblasti ultrazvukové medicíny – přišel s nápadem, jak je přimět, aby fungovaly rychleji, levněji a praktičtěji.

V tom je možná hlavní poselství nové studie: budoucnost vody nemusí ležet jen v obrovských odsolovacích závodech, ale i v tichých, neviditelných vibracích, které rozkmitají molekuly tak, že začnou „tančit“ směrem do sklenice. A jestli se tyhle vibrace jednou usadí i ve vašem okně, možná si při ranním pohledu ven vzpomenete, že kolem vás neustále plavou miliardy molekul vody – stačí je jen umět správně zatřást.