Последний доклад МГЭИК однозначен: 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
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.
Какие растения подходят для этого метода?
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.