Новая система, разработанная инженерами Массачусетского технологического института, может обеспечить недорогой источник питьевой воды для пересушенных городов по всему миру, а также сократить эксплуатационные расходы электростанций, - пишет techxplore.com со ссылкой на Science Advances.
Около 39 процентов всей пресной воды, взятой из рек, озер и водохранилищ в США, используется для охлаждения электростанций, работающих на ископаемом топливе или ядерной энергии, и большая часть этой воды уплывает в облаках пара и потом никак не используется. Новая система может не только сэкономить значительную часть потерянной воды, но и стать важным источником чистой и безопасной питьевой воды для прибрежных городов, где морская вода используется для охлаждения местных электростанций.
Новый способ получения пресной воды стал основой для стартап-компании «Infinite Cooling», которая в прошлом месяце выиграла конкурс Массачусетского технологического института на сумму 100 тыс. долларов США. Авторы разработки и основатели стартапа - Махер Дамак и Крип Варанаси.
Принцип, лежащий в основе нового метода, обманчиво прост: когда о воздух, богатый туманом, ударяется пучок электрически заряженных частиц – ионов, капли воды становятся электрически заряженными, и поэтому могут быть направлены к сетке проводов, расположенных на их пути. Затем капли собираются на этой сетке, стекают в поддон и могут быть повторно использованы на электростанции или в системе водоснабжения города.
Видение Варанаси заключалось в разработке высокоэффективных систем рекуперации воды путем захвата капель воды как из естественного тумана, так и из паровых шлейфов промышленных охладительных башен. Проект начинался как часть докторской диссертации Дамака, которая была направлена на повышение эффективности систем сбора воды из туманов, которые используются во многих прибрежных районах, где питьевая вода дефицитна. Эти системы обычно состоят из пластиковой или металлической сетки, висящей вертикально на пути туманов, регулярно идущих со стороны моря. Сетки захватывают только 1-3 процентов капель воды, поэтому система считается неэффективной. Варанаси и Дамак задавались вопросом, есть ли способ улучшить сетку и научиться улавливать большее количество капель, – и они нашли очень простой и эффективный метод.
Причина неэффективности существующих систем стала очевидной в подробных лабораторных экспериментах команды: проблема заключалась в аэродинамике. Поскольку поток воздуха проходит через препятствие, например, через провода в сетчатых противотуманных экранах, он естественно отклоняется от препятствия, подобно тому, как поток воздуха, проходящий через крыло самолета, разделяется на струи воздуха: одна проходит над, а другая под крылом. Эти отклоняющиеся воздушные потоки несут капельки воды мимо проводов, если только они не загоняются специально в центр системы. В результате доля захваченных капель намного меньше, чем доля площади сбора, занятой проводами, потому что капли отлетают от проводов, которые лежат перед ними. Просто увеличивать площадь проводов или уменьшать расстояния в сетке контрпродуктивно, поскольку они препятствуют общему потоку воздуха, что приводит к дополнительному уменьшению сбора.
Но если по входящему туману сначала ударить ионным лучом, происходит противоположный эффект. Мало того, что все капли, которые находятся на пути проводов, приземляются на них, но и капли, направленные на отверстия в сетке, тянутся к проводам. Таким образом, эта система может захватывать гораздо большую количество проходящих капель, затрачивая минимальные ресурсы и мощности.
Затем команда сосредоточилась на захвате воды из шлейфов охладительных башен на электростанциях. Там поток водяного пара гораздо более концентрирован, чем в любом естественном тумане, и это позволяет сделать систему еще более эффективной. Более того, поскольку это испарившаяся вода, являющаяся результатом процесса дистилляции, она захватывается чистой, даже если при использовании ее для охлаждения она изначально была соленой или загрязненной.
«Это дистиллированная вода, которая имеет слишком высокое качество, чтобы тратить ее впустую», - говорит Варанаси. Такая вода может быть подана в систему питьевой воды города или использоваться в процессах, требующих чистой воды, например, в котлах энергетических установок, а не в системе охлаждения, где качество воды не имеет большого значения.
Типичная 600-мегаваттная электростанция, по словам Варнаси, может захватить 150 миллионов галлонов воды в год, что составляет миллионы долларов и примерно 20-30 процентов воды, которая сейчас теряется на охладительных установках. Усовершенствованная система будет еще более эффективной.
Более того, поскольку вдоль многих засушливых береговых линий уже установлены электростанции, и многие из них охлаждаются морской водой, этот способ опреснения воды становится еще более простым и требует лишь небольших затрат на строительство автономного опреснительного оборудования. По мнению Дамака и Варанаси, стоимость такой установки составит примерно одну треть от стоимости строительства нового завода по опреснению воды, а его эксплуатация обойдется в 50 раз дешевле. Срок окупаемости такой установки составит около двух лет, и она не несет никакой экологической опасности.
«Это может быть отличным решением для решения проблемы глобального водного кризиса, - говорит Варанаси. – А также компенсирует потребность в, по меньшей мере, 70% новых установок для опреснения воды в следующем десятилетии».
Ученые уже построили лабораторную версию системы и записали видеоролик. В нем в ходе эксперимента появляется сильный шлейф туманных капель, который сразу же исчезает, как только система включается.
В настоящее время команда строит полномасштабную тестовую версию своей системы, которая будет размещена на градирне электростанции Массачусетского технологического института, которая сжигает природный газ для обеспечения электричества, отопления и кондиционирования в кампусе. Ожидается, что установка завершится к концу лета, а в начале осени пройдут тестовые испытания.
Если система заработает, то это должно подтолкнуть операторов электростанций, которые, как правило, придерживаться консервативных решений в области технологий, принять ее. Кроме того, она поможет кампусу института более эффективно использовать водные ресурсы.
Источник - Электронное периодическое издание «Научная Россия».
