3.13.2 Полимер, вырабатывающий электроэнергию

Группа исследователей из Массачусетского технологического института создала новый полимер, который способен вырабатывать электроэнергию, используя пары воды. Секрет технологии заключается в том, что материал, поглощая небольшое количество испарившейся воды, изменяет свою форму: он может сворачиваться, а затем распрямляться.

Механическую энергию, произведенную материалом, можно преобразовать в электрическую, если добавить к полимерной пленке пьезоэлектрический материал. По словам специалистов, представленный образец способен производить 5.6 нановатт. Полученную таким образом энергию можно накапливать в конденсаторах для работы микроэлектронных устройств таких, как электронные термометры и датчики влажности.

Полимерную пленку можно использовать и в больших масштабах. Например, ее можно разместить над рекой или озером для производства энергии. Из материала можно также изготавливать элементы одежды. Подобная одежда будет вырабатывать энергию, например, во время занятия спортом.

Материал состоит из двух различных полимеров. Из полипиррола изготовлена сетка, которая выступает в роли каркаса. На нее нанесен слой другого мягкого полимера polyol-borate, который разбухает при поглощении воды.

Пленку можно также применять для механического воздействия на другие предметы. Исследователи продемонстрировали, как 25-миллиграммовая пленка легко поднимает стеклянные пластинки, которые в 380 раз ее тяжелее.

3.13.3 Вакуумная канализация снижает потребление воды

Исследователи из германского Общества Фраунгофера представят на Ганноверской выставке, которая пройдёт 23–27 апреля, проект экологически устойчивого дома (House of Sustainability). В его концепции сочетаются вакуумная канализация, вторичное использование воды и мембранный реактор для выработки биогаза на базе отходов человеческой жизнедеятельности.

Общим местом стало утверждение о том, что 40% населения Земли не имеют доступа к канализации, а 11% — и к питьевой воде, заслуживающей этого наименования. На секунду забудем об этих ужасах и окинем взглядом развитые страны. Ситуация здесь напоминает пир во время чумы. Житель Германии потребляет в среднем 120 л воды в день. Выпить из них ему удаётся лишь три литра, а треть (40 л!) в прямом смысле сливается в унитаз. В масштабе всей страны отхожее место поглощает более миллиарда тонн питьевой воды в год.

Учёные из Института междисциплинарного инжиниринга и биотехнологии Общества Фраунгофера (Штутгарт) разработали комплексный проект «Децентрализованной городской инфраструктурной системы водоснабжения» (DEUS 21), включающей как известные, так и несколько необычные технические решения.

Среди основных черт концепции следует отметить использование вакуумной канализации. В отличие от гравитационной (Мохенджо-Даро, Клоака Максима и т. д.) и напорной (основная сейчас), вакуумная работает за счёт разницы давления в системе труб, где оно близко к нулю (воздух отсутствует) и в приёмных устройствах (унитазах и пр.), где оно атмосферное. Такая канализация всасывает отходы человеческой жизнедеятельности, как обычный (тоже вакуумный) пылесос. Основное преимущество — в 2–3 раза более узкий диаметр труб и радикально меньший расход воды. Именно потому вакуумную канализацию (урезанную по эффективности) устанавливают на самолётах. В новой разработке на градуировочный смыв уходит от 0,5 (первый вариант) до 1 литра (второй вариант), в то время как в стандартных унитазах — 6 л (в ряде стран есть двухрежимные устройства, на 4 и 8 л). По словам изобретателей, у системы есть и другие преимущества: она требует меньшей мощности и количества насосов, чем традиционная напорная канализация; в вакуумных трубах не бывает крыс, тараканов и иных милых спутников венца природы.

Есть в системе и компонент очистки дождевой воды, собираемой с участка чем-то вроде рудиментарной ливневой канализации. Это малогабаритная установка биологической анаэробной очистки. Хотя на выходе она гарантирует получение питьевой воды (по германскому стандарту TVO), разработчики понимают, что психологические предубеждения не позволят применять её как питьевую. По их словам, она может быть использована для полива сада, смыва унитазов, мытья в душе и ванной. Впрочем, с последним мы не советовали бы торопиться: прежде стоит поинтересоваться уровнем развития химпрома в окрестностях домовладения.

Для вторичной переработки воды, попадающей в вакуумную канализацию, предусмотрен отдельный полностью анаэробный септик, основным компонентом которого является мембранный безнасосный биореактор. Он разлагает отходы, содержащиеся в воде, и выделяет при этом биогаз — смесь метана и углекислого газа. Реактор содержит вращающиеся диски с керамическими мембранами, движение которых препятствует образованию бактериальных плёнок. Это позволит устройству работать многие десятилетия. Вода, выходящая из реактора, также минует систему мембран с отверстиями от 60 нм до 0,2 мкм. Здесь отцеживаются как все взвешенные частицы, так и бактерии, возвращаемые обратно в биореактор. Биогаз предлагается использовать тут же для подогрева воды в адаптированном газовом котле отопления. Несколько необычной чертой системы является расчёт биореактора под большее количество органических отходов на единицу воды, чем это принято в сегодняшних септиках. При более ответственном водорасходе, полагают авторы DEUS, процентное содержание в воде органических отходов значительно возрастёт. При этом для максимизации выхода биогаза бóльшая устойчивость биореактора к загрязнениям позволит смывать с водой, сливаемой в канализацию, кухонные органические отходы, твёрдая часть которых пройдёт через специальный шредер под раковиной, призванный заменить помойное ведро.

Неразлагаемые отходы будут представлять собой соли фосфора и аммоний, который раз в год можно будет извлекать из мембранного биореактора и использовать как удобрение.

Разработка проходит сейчас испытания в Книтлингене (город в земле Баден-Вюртемберг). По мнению исследователей, несмотря на то что система требует серьёзных инвестиций, в условиях текущей стоимости воды и газа в Германии она должна окупаться за 7–8 лет, а при массовом производстве её компонентов — ещё быстрее.