Jeśli włożysz wąską słomkę do szklanki wody, część tego płynu wejdzie w górę rurki. Ale bez pomocy ta woda pokona tylko niewielką odległość. Teraz naukowcy opracowali urządzenie, które może naśladować zdolność drzew do wspinania się na duże wysokości. To może dostarczyć wodę pitną społecznościom, które teraz nie mają jej wystarczająco dużo.
Naukowcy twierdzą, że to nowe urządzenie, opisane jako „syntetyczne drzewo”, może ułatwić ludziom dostęp do wód gruntowych. Może również pozwolić mieszkańcom obszarów przybrzeżnych na wydobywanie świeżej wody pitnej z morza.
Cząsteczki wody są dla siebie naprawdę atrakcyjne. Dlatego duża ich liczba łączy się, tworząc okrągłe kropelki. Czasami jednak cząsteczki wody są bardziej przyciągane do innych substancji niż do siebie. Dlatego wspinają się po bokach szklanki. (Czy kiedykolwiek zauważyłeś, że powierzchnia wody w szklance zakrzywia się w górę w miejscu, w którym styka się ze szklanką?) W bardzo wąskiej rurce woda może wznieść się nawet o kilka centymetrów, zauważa Jonathan Borejko. Jest materiałoznawcą w Virginia Tech w Blacksburgu. Proces napędzający to wznoszenie nazywa się działaniem kapilarnym. Jednak aby woda podniosła się o więcej niż kilka centymetrów, działanie kapilarne wymaga pomocy.
Rośliny znają sekret pomagania – wyjaśnia Boreyko. Przez cały dzień woda wyparowuje z liści rośliny. Powoduje to ssanie wewnątrz tkanki zwanej ksylemem. To ssanie wciąga wodę i składniki odżywcze przez korzenie, aby odżywić liście i nowy wzrost. Takie ssanie może podnosić wodę do wierzchołków drzew. Teraz Boreyko i jego koledzy z drużyny zaprojektowali „syntetyczne drzewo”. Mówią, że może to pomóc ludziom żyjącym na suchych obszarach pozyskiwać wodę nawet głęboko pod ziemią.
Wnętrzności „drzewa”
Ndidi Eyegheleme jest inżynierem mechanikiem. Dorastała w małej nadmorskiej wiosce w Afryce. Obecnie pracuje z Boreyko w Virginia Tech. „Tam, gdzie mieszkaliśmy, otaczała nas słona woda” — wspomina. „Więc mieliśmy wiele problemów ze zdobyciem świeżej wody do picia”. Dlatego tak bardzo interesuje ją tworzenie drzewek syntetycznych. Dodaje, że mogą pomóc ludziom w suchych częściach świata. Na całym świecie około 2,2 miliarda ludzi nie ma niezawodnego dostępu do czystej wody pitnej, donosi Organizacja Narodów Zjednoczonych. Jednak w niektórych miejscach woda może znajdować się zaledwie kilka metrów pod ich stopami.
Zespół Virginia Tech zbudował niedawno prototyp syntetycznego drzewa w przezroczystym plastikowym pudełku. Jest wystarczająco mały, aby umieścić go na blacie. Dziewiętnaście małych plastikowych rurek służy jako „pień” tego drzewa. Wewnętrzna średnica każdej tuby jest około sześć razy większa od średnicy wkładu w ołówku. Każda rurka przenosi wodę z pojemnika do ceramicznego „listka”, który ma odrobinę większą średnicę niż puszka po napojach. Podobnie jak prawdziwy liść, ten ceramiczny dysk ma wiele maleńkich porów. Parowanie z tych porów tworzy ssanie, które pomaga wciągnąć wodę do rur.
Zespół pokrył również syntetyczny liść powłoką z grafitu (materiału, z którego składa się ołówek). To przyciemniło powierzchnię liścia, aby zwiększyć jego nagrzewanie w świetle słonecznym lub pod jasną lampą. To przyspieszyło parowanie — i ssanie wody — jeszcze bardziej. Wreszcie zespół dodał podkładkę chłodzącą, aby schłodzić część pudełka, w której znajduje się drzewo. Para wodna skrapla się tam, tworząc czystą wodę.
Zespół opisał swój system 22 czerwca w Applied Physics Letters.
Naśladowanie natury
Naśladowanie tego, jak drzewo siorbie wodę „to wspaniałe podejście”, mówi Xianming Dai. Jest inżynierem mechanikiem na University of Texas w Dallas. Mówi, że syntetyczne drzewa mogą mieć dostęp do wody nawet 100 metrów pod ziemią. Radzi, aby długie, delikatne rurki z pnia drzewa umieścić w większej rurze ochronnej. W ten sposób system zespołu powinien być łatwy do skalowania do większych rozmiarów.
Takie urządzenia można również zmodyfikować, aby pomóc ludziom wytwarzać świeżą wodę ze słonej, mówi Dai. Jak? Zainstaluj membranę, która usuwa rozpuszczoną sól z wody, zanim dostanie się do dolnego końca rurek. Zauważa, że pomogłoby to zapobiec tworzeniu się kryształków soli w rurkach lub zatykaniu liścia podczas wyparowywania wody.
Kluczem do uczynienia tego drzewa energooszczędnym było ogrzewanie i odparowywanie tylko wody wewnątrz syntetycznego liścia, a nie całej sadzawki znajdującej się pod nim, mówi Hadi Ghasemi. Jest inżynierem mechanikiem na Uniwersytecie w Houston w Teksasie. „Jeśli musisz podgrzać tylko niewielką ilość wody, masz znacznie mniejsze zapotrzebowanie na energię”, zauważa.
Każdy metr kwadratowy „liścia” może generować około 1,6 litra wody na godzinę, twierdzą naukowcy z Virginia Tech.
