Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) в своём последнем докладе пришла к однозначному выводу: изменение климата привело к снижению продовольственной безопасности и доступа к воде для миллионов людей, и ситуация будет продолжать ухудшаться без решительных действий с нашей стороны. По оценкам ООН, к 2050 году каждый четвертый человек будет испытывать нехватку воды, как для питья, так и для сельского хозяйства. С другой стороны, по данным ООН, стабильное снабжение водой, возобновляемой энергией и продовольствием — три самых необходимых фактора для жизни сегодня. Однако часть населения планеты по-прежнему не имеет доступа к чистой воде и экологически чистым источникам энергии.
В этих условиях исследователи создали солнечную систему, которая эффективно выращивает растения, используя воду из воздуха и вырабатывая при этом электроэнергию. Эта инновация обеспечивает доступную и устойчивую стратегию повышения продовольственной и водной безопасности во многих засушливых и полузасушливых регионах мира. По оценкам, во всем мире 2 миллиарда человек не имеют доступа к чистой воде, 800 миллионов не имеют доступа к электричеству, а 700 миллионов живут в условиях постоянного голода. Именно поэтому в 2015 году Организация Объединенных Наций приняла 17 Целей устойчивого развития (ЦУР), также известных как Глобальные цели.
Все эти цели интегрированы, т.е. связаны друг с другом: вмешательство в одну область влияет на результаты в других. Не в последнюю очередь они направлены на искоренение бедности, защиту планеты и обеспечение того, чтобы к 2030 году все люди жили в мире и процветании.
Достижение ЦУР к этому времени будет во многом зависеть от того, как улучшить условия жизни миллиардов людей, большинство из которых живут в сельской местности, в Африке, Южной Азии и на Ближнем Востоке, с засушливым или полузасушливым климатом. С учетом этих целей и географического контекста (климат, районы, удаленные от крупных городов), децентрализованные и разумные по размерам подходы в настоящее время считаются наиболее подходящими для экономичного обеспечения электроэнергией и водой в этих сельских районах.
Ранее было отмечено, что сбор атмосферной воды с помощью солнечной энергии способен удовлетворить потребности в питьевой воде - 5 л в день на душу населения — более чем двух миллиардов человек во всем мире. В других исследованиях также говорится об использовании влажности окружающей среды для восстановления энергии, самодостаточного городского сельского хозяйства и автономных систем управления влажностью. Таким образом, использование атмосферной воды в качестве альтернативного водного ресурса представляется перспективным. Действительно, атмосфера постоянно сохраняет более 12 900 миллиардов тонн пресной питьевой воды. Эта вода постоянно пополняется в процессе круговорота воды.
Именно в этом направлении проводится настоящее исследование, опубликованное в журнале Cell Reports Physical Science, в котором сочетаются производство пресной воды, выработка электроэнергии и выращивание сельскохозяйственных культур. Для этого исследователи опираются на результаты нескольких своих предыдущих исследований тепла, выделяемого фотоэлектрическими панелями. С одной стороны, они продемонстрировали возможность получения пресной из морской воды, используя остаточное тепло от солнечной батареи, по принципу дистилляции. Другими словами, это тепло нагревает воду, которая, испаряясь, очищается от остатков солей системой дистилляции (фильтрации), связанной с панелью. В дополнение к этим первоначальным результатам они разработали методику охлаждения этих солнечных панелей. Для этого они использовали цикл адсорбции и десорбции атмосферного водяного пара благодаря материалу для восстановления воды (также называемому сорбентом). Последний представляет собой полиакриламидно-кальциевый гидрогель.
Отсюда и возникла идея авторов в этом новом исследовании предложить систему, объединяющую эти характеристики. Система состоит из: улавливания водяного пара из воздуха с помощью гидрогеля, обычно вечером или ночью; использования тепла от панели в течение дня для испарения атмосферной воды, уловленной снаружи гидрогеля, с целью охлаждения панели; сбора образовавшегося таким образом водяного пара для производства пресной воды и полива сельскохозяйственных культур.
Экспериментальное устройство, названное WEC2P, было построено из промышленных фотоэлектрических панелей. Задняя часть этих панелей была удалена и покрыта антикоррозийной обработкой, после чего был нанесен слой гидрогеля с самоклеящимися свойствами. Для усиления контакта между панелью и гидрогелем была применена пластина. Эти панели были наклонены под углом 22 градуса к земле и обращены на юг. С панелями был связан лоток для сбора воды.
Впоследствии исследователи использовали WEC2P для проведения испытания по выращиванию растений в Саудовской Аравии в течение двух недель в июне, когда температура была очень высокой. Они оросили 60 растений водяного шпината, используя только воду, собранную из воздуха.
Результаты оказались многообещающими: за время эксперимента солнечная панель выработала 1519 ватт-часов энергии. 57 из 60 семян водяного шпината проросли и уверенно выросли до 18 см. В течение двухнедельного эксперимента из гидрогеля было сконденсировано около 2 литров воды. Команда пришла к выводу, что гидрогель повышает эффективность солнечных фотоэлектрических панелей на 9% за счет поглощения тепла и снижения температуры панелей. Следующей целью является разработка более совершенного гидрогеля, способного поглощать больше атмосферной воды.
Конструкция WEC2P такова, что она предлагает два легко переключаемых режима: охлаждение фотоэлектрических панелей и производство водных культур, что обеспечивает большую гибкость в практическом применении.
Этот принцип работы системы основан на переменном характере условий окружающей среды в течение цикла "день-ночь". Когда влажность высокая, а температура низкая (ночью), адсорбция водяного пара облегчается. Когда влажность низкая, а температура высокая (днем), процесс испарения (и, следовательно, охлаждения панелей) происходит более активно.
Очевидно, что не все культуры возможны в пустынных регионах. Растения, которые "любят тепло", являются наиболее подходящими для производства. Пасленовые (томаты, перцы, баклажаны) и огуречные (огурцы, дыни, летние и зимние кабачки) - два семейства растений, которые процветают в жаркую погоду. Кукуруза и бобы также хорошо себя чувствуют в теплых регионах. Базилик - теплолюбивая трава, которая цветет даже в самое суровое лето в пустыне.
Быстроурожайные сорта могут превзойти культуры, которым требуется больше времени для созревания, особенно в высоких засушливых районах. Необходимы виды, которые могут выдерживать большие перепады температур между днем и ночью. Поэтому использование этого типа процесса должно быть основано на местном принципе: местное производство энергии, воды и растений, что позволяет избежать транспортировки углерода и энергии.
Ванг, один из соавторов исследования и профессор экологической науки и инженерии в Университете науки и технологии имени короля Абдаллы (KAUST), объясняет, что "обеспечение того, чтобы каждый человек на Земле имел доступ к чистой воде и недорогой чистой энергии, является частью целей устойчивого развития, установленных Организацией Объединенных Наций. Эти цели представляют собой дорожную карту к лучшему и устойчивому будущему для всех. Для достижения целей ООН во всех контекстах потребуются творческие способности, ноу-хау, технологии и финансовые ресурсы всего общества.
В частности, прекращение всех форм голода и недоедания к 2030 году означает поощрение устойчивых методов ведения сельского хозяйства, повышение уровня жизни и потенциала мелких фермеров, а также обеспечение равного доступа к земле, технологиям и рынкам. Кроме того, оно предполагает международное сотрудничество для обеспечения инвестиций в инфраструктуру и технологии, повышающие производительность сельского хозяйства. В заключение Ванг говорит:
"Я надеюсь, что наша конструкция может стать децентрализованной системой энерго- и водоснабжения для освещения домов и полива сельскохозяйственных культур".
Таким образом, устройство является эволюцией нынешней агрофотоэлектрической техники. Последняя заключается "всего лишь" в покрытии определенных сельскохозяйственных продуктов съемными и ориентируемыми фотоэлектрическими панелями, чтобы, с одной стороны, защитить урожай от плохой погоды, а с другой — производить солнечную энергию. Здесь цель тройная: сочетая создание воды с солнечными батареями, они позволяют производить дополнительную электроэнергию, пресную воду и выращивать урожай в засушливых регионах.
Система подходит для небольших децентрализованных ферм в отдаленных районах, таких как пустыни и морские острова. Она предлагает устойчивую и малозатратную стратегию повышения продовольственной и водной безопасности для людей, живущих в засушливых и полузасушливых регионах, ответственным и устойчивым образом.