Zaskakujące technologie mogą pomóc w zapewnieniu dostępu do czystej wody i rozwiązać światowy kryzys wodny.

Według Organizacji Narodów Zjednoczonych ponad 2 miliardy ludzi na świecie nie ma dostępu do bezpiecznej wody pitnej. W obliczu naturalnego niedoboru wody i suszy potęgowanych przez zmiany klimatu, wiele osób ma ograniczony dostęp do wody, podczas gdy inni cierpią z powodu zanieczyszczonych zasobów wodnych. Wiele osób boryka się z obydwoma problemami.

Pojawiają się pomysłowe narzędzia i techniki generowania wody i jej oczyszczania. Naukowcy stworzyli komputery z mikromózgiem, które wykrywają toksyczność, wytrącili ołów z H2O za pomocą energii elektrycznej i zbudowali bezenergetyczne urządzenie oczyszczające, które jest odporne na ludzkie błędy.

Technologie te mogą ostatecznie chronić zdrowie ludzi na całym świecie, zarówno w miastach, gdzie rury są skażone ołowiem, jak i na terenach wiejskich, gdzie wspólne studnie mogą wyschnąć.

Pustynny żniwiarz

Jedno z najbogatszych źródeł wody na Ziemi ukryte jest w widocznym miejscu: w powietrzu.

Mniej niż 0,001 procenta wilgoci w atmosferze mogłoby dostarczyć każdemu mieszkańcowi Ziemi 50 litrów wody, jak twierdzi dr Omar M. Yaghi, profesor chemii James and Neeltje Tretter Chair na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

Laboratorium Yaghiego opracowało nowy sposób na wykorzystanie tego ogromnego, niewidocznego zasobu.

Zszywają cząsteczki w struktury przypominające rusztowanie, w którym cząsteczki organiczne służą jako rozpórki, a atomy metali jako połączenia. Te metalowo-organiczne szkielety (MOF) mają ogromną powierzchnię: dwa boiska piłkarskie złożone w szczyptę wielkości grochu.

Plexiglasowy kombajn Yaghisa jest pełen MOF-ów, które potrafią wydobyć wodę nawet z najbardziej suchego pustynnego powietrza. Pudełko nagrzewa się pod wpływem światła słonecznego, co powoduje, że MOF-y wyłapują wilgoć z powietrza, która następnie jest uwalniana w postaci gotowej do picia wody.

Nie ma na świecie materiału, który pobierałby wodę i uwalniał ją w taki sposób, przy bardzo niskiej wilgotności, z wyjątkiem MOF, mówi Yaghi.

Przy użyciu zaledwie 200 gramów MOF, zasilane energią słoneczną pudełko może zebrać ponad galon wody dziennie.

Wersja elektryczna może powtarzać cykl zbierania i uwalniania wody przez cały dzień.

Wykrywacz toksyn Bio-Brain

Mikroskopijne, jednokomórkowe organizmy mogą zawierać klucz do innego problemu: łatwego testu na bezpieczeństwo wody.

Mikroby ewoluowały, aby rozpoznawać i chronić się przed toksynami w wodzie, których ludzie nie mogą skosztować ani zobaczyć, w tym arsenem, E. coli i ołowiem.

„Mają coś w rodzaju genetycznego mózgu molekularnego, który im w tym pomaga” – mówi dr Julius B. Lucks, profesor i zastępca kierownika Katedry Inżynierii Chemicznej i Biologicznej na Uniwersytecie Northwestern.

Mikroby mają białka bioczujnikowe, zwane też biosensorami, które przyczepiają się do toksyn, a proces ten aktywuje określony gen, np. taki, który wypompowuje ołów z organizmu.

Badacze odkryli, że mogą wyodrębnić pewne biosensory i przerobić DNA tak, by powstał inny gen: taki, który świeci w obecności zanieczyszczenia.

Następnie edytowali więcej białek bioczujnikowych, przeprojektowując je tak, aby reagowały na określone poziomy zanieczyszczeń.

Produktem końcowym jest podręczny komputer DNA: rząd probówek z liofilizowanymi białkami. Im większe zanieczyszczenie w próbce wody, tym większa liczba probówek, które będą świecić.

Tylko jeśli spełnione są pewne warunki, końcowe cząsteczki DNA łączą się i wytwarzają fluorescencyjny kolor, mówi Lucks. To coś w rodzaju magii.

Odporny na błędy dozownik chloru

Chlor jest potężnym narzędziem do zabijania patogenów przenoszonych przez wodę, które powodują choroby, ale jego skuteczne użycie może być trudne. Powszechnie stosowane metody, takie jak tabletki z chlorem i pokrętne urządzenia dozujące, pozostawiają ogromne pole do popisu dla błędu ludzkiego.

Naukowcy z Tufts Institute of the Environment chcieli ułatwić stosowanie chloru we wspólnych źródłach wody w miejscach, w których brakuje prądu.

Ich eleganckie rozwiązanie składa się tylko z dwóch elementów: małego pudełka, które mocuje się na końcu rury wodociągowej oraz zbiornika wypełnionego płynnym chlorem.

Wiele korzyści zdrowotnych, które stwierdziliśmy w przypadku posiadania uzdatnionej wody wymaga, aby woda była uzdatniana przez cały czas, mówi Julie E. Powers, główny badacz urządzenia w Tufts, a obecnie doktorantka inżynierii środowiska na UC Berkeley.

Ponieważ skrzynka ma węższą średnicę niż rura, powoduje ona zmianę ciśnienia podczas przepływu wody przez nią. Ta zmiana ciśnienia, znana jako efekt Venturiego, wyciąga chlor ze zbiornika do strumienia wody, dzięki czemu jest ona oczyszczana automatycznie bez użycia prądu.

Naukowcy zainstalowali urządzenie Venturiego w kioskach wodnych w siedmiu społecznościach w Bangladeszu i Kenii, gdzie dostęp do czystej wody jest często ograniczony. Po 6-miesięcznej próbie, pięć społeczności zdecydowało się na jego zakup.

Wodna terapia szokowa

Naukowcy i studenci z Massachusetts Institute of Technology, oszołomieni kryzysem związanym z wodą z ołowiem w mieście Flint w stanie Michigan, wykorzystali swoją technologię odsalania wody do usuwania metali ciężkich.

Już wcześniej wymyślili, jak wykorzystać energię elektryczną do oddzielenia zanieczyszczeń w wodzie. Metoda ta, znana jako elektrodializa uderzeniowa, może usunąć ogromne ilości sodu z wody morskiej. Ale sód jest niezbędnym składnikiem wody pitnej, gdzie występuje w znacznie mniejszych stężeniach, a ołów może być trudny do usunięcia bez usuwania wszystkiego innego.

Ołów jest bardzo podstępny. Jeśli próbujesz odfiltrować go za pomocą elektryczności, może on grać z tobą w gry i przylegać do ścian lub powierzchni systemu, którego używasz, mówi Mohammad A. Alkhadra, doktorant na Wydziale Inżynierii Chemicznej w Massachusetts Institute of Technology.

Ich technologia opiera się na elektrycznie naładowanych materiałach porowatych, takich jak mikroskopijne kawałki szkła, które pozostają uwięzione w obudowie filtra, jak węgiel aktywny w filtrze Brita, i usuwa 95 procent ołowiu.

Materiały te zwiększają przewodność elektryczną wody, wprawiając w ruch jony sodu i metali, pozostawiając po sobie strefę oczyszczoną. Tylko czysta woda z tej strefy trafia do zbiornika wody pitnej.

Woda była czymś, co dorastałem doceniając i uznając jej wartość, mówi Alkhadra, który wychował się w Arabii Saudyjskiej, kraju nękanym przez niedobór wody.

W miarę jak coraz większa liczba ludzi staje w obliczu kurczących się i skażonych zasobów wody, to mentalność, którą wielu z nich będzie musiało przyjąć.