電子レンジほどの大きさの水ハーベスターは、暑く乾燥した砂漠でも、必要な水のすべてを空気から直接取り出せると、研究者らは報告している。
研究者らはACS Central Scienceに掲載された論文で、水ハーベスターの最新版について説明している。このハーベスターは、水を吸収する素材1キログラム（2.2ポンド）につき、1日あたり低湿度の空気から5カップ（1.3リットル）以上の水を取り出すことができる。その素材は金属有機構造体（MOF）と呼ばれる非常に多孔質の物質である。これは、生存に必要な最低量を上回る量である。
カリフォルニア州の乾燥したモハーベ砂漠で3日間にわたって行われた現地試験では、ハーベスターは吸収材1キログラム（2.2ポンド）あたり1日に0.7リットルを安定的に生成した。これはほぼ3カップ分の清浄で純粋なH2Oに相当する。これは従来版のハーベスターの10倍の性能である。ハーベスターは太陽光パネルとバッテリーで稼働し、24時間365日休みなく作動する。
水がなくても問題なし
相対湿度がわずか7%、気温が華氏80度（摂氏約27度）を超える砂漠で最も乾燥した日でも、ハーベスターはMOF1キログラムあたり1日に6オンス（0.2リットル）の水を生成した。
「低湿度、つまり相対湿度40%未満の空気から水を凝縮させるには、空気を氷点下、すなわち摂氏0度未満まで冷却する必要があることはよく知られている。しかし、それは現実的ではない。当社のハーベスターは、そのような冷却を行わずに、非常に低い湿度でこれを可能にしている。このようなことができる材料は他にない」と、カリフォルニア大学バークレー校の化学教授であり、Kavli Energy NanoSciences Instituteの共同ディレクターを務めるOmar Yaghi氏は述べている。
「これは、高湿度で作動する除湿機とは違う。0.7リットルは多くの水ではないと言う人もいる。しかし、水がない人にとっては、非常に多くの水である」
Yaghi氏のスタートアップ企業であるWater Harvester Inc.は現在試験を行っており、まもなく電子レンジほどの大きさの機器を市場に投入する予定である。この機器は1日あたり7〜10リットルの水を供給できる。これは、米国科学アカデミーの推奨に基づくと、成人2〜3人が1日に必要とする飲料水と調理用水に相当する。同アカデミーは、男性は1日に3.7リットル、女性は1日に2.7リットルの水分を摂取すべきとしている。
さらに大型のハーベスターも計画されており、小型冷蔵庫ほどの大きさで、1日あたり200〜250リットルの水を供給する。これは一世帯が飲用、調理、シャワーに使うのに十分な量である。また、数年以内に、同社は1日あたり20,000リットルを生産する村落規模のハーベスターの実現を目指している。いずれも太陽光パネルとバッテリーによる電力、または送電網からの電力で稼働する。
「当社は超純水を製造しており、水道網に接続しなくても広く利用できる可能性がある」と、化学部門の教授職にあるYaghi氏は述べている。「この水の移動性は、水ストレスに苦しむ人々にとって極めて重要であるだけでなく、水は人権であるべきだという、より大きな目標の実現も可能にする」
MOFが実現を可能にする
このハーベスターの主要な要素は、Yaghi氏と同僚の研究者が発明した一種のMOFである。この素材は、空気中の水分を容易かつ迅速に吸収し、同じくたやすく放出するため、水を回収することができる。Yaghi氏は1990年代半ばからMOFの開発を続けており、その多孔性は非常に高く、1グラムの表面積はサッカー場に相当する。他の種類のMOFは、排ガスから二酸化炭素を回収したり、化学反応を促進したり、処理施設で石油化学製品を分離したりするために使われている。
研究者らは、2014年に最初の水吸収型MOFを開発した。その名称はMOF-801である。周囲の空気中の水分子は内部表面に付着し（この過程は吸着と呼ばれる）、MOF内部の湿度を上昇させる。その湿度が一定の水準に達すると、室温でも水は凝縮する。これは、湿度が高いときに水が冷たい表面で凝縮するのと同じ原理である。MOFをわずかに加熱すると、水は再び放出され、凝縮して回収することができる。
MOF-801を採用した最初のハーベスターは2017年に発表された。完全に受動的な方式で、太陽光で稼働した。夜間に水分を吸着し、翌日に日光の熱によって水分を放出する仕組みであり、水蒸気は容器の内側の表面で凝縮した。
2018年までに、Yaghi氏のチームは、その概念実証機器を第2世代のハーベスターへと発展させた。このハーベスターは、アリゾナ砂漠での1回の昼夜サイクルの間に、MOF1キログラムあたり1日に0.07リットル（約2オンス強）の水を回収した。ここでも、MOFから水を放出させるために太陽の熱を利用した。
「水の量は少なかったが、この実験により、砂漠の空気の水分をMOFの細孔に濃縮し、日光による穏やかな加熱で取り出し、その後、周囲の条件下で凝縮させることができることが示された」と、Yaghi氏は述べている。
新しいモデル
2019年モデルはもはや受動的ではない。太陽光パネルで駆動するファンによって、カートリッジ内に収められたMOFの上に周囲の空気を送り込む。これにより、より多くのMOFが空気に触れるようになる。MOFを充填したカートリッジは、約10インチ四方、厚さ5インチであり、2組の流路が交差している。一方の流路は水を吸着するためのもので、もう一方は水を凝縮器へ送り出すためのものである。これにより、一日中連続して循環させることができる。太陽光パネルはバッテリーに接続されており、ハーベスターは夜間も稼働できる。また、MOFから水を追い出す小型ヒーターにも電力を供給する。
この新型の水ハーベスターの生産性は、従来機器の10倍であり、初期の概念実証機器と比べると100倍高い。研究者らは、水から金属や有機物の痕跡は検出されなかったとしている。
新機器の生産性向上とサイクル時間の短縮は、新たに設計されたMOF、すなわちMOF-303によってもたらされたものである。MOF-303はアルミニウムを基盤としており、ジルコニウムを基盤とするMOF-801とは異なる。MOF-303はMOF-801よりも30%多くの水を保持でき、理想的な条件下では、わずか20分で水の吸着と脱着を行うことができる。これは、Yaghi氏のスタートアップ企業がまもなく達成しようとしている水準である。
「MOF-303は2つの点で非常に優れている。以前報告したジルコニウム系MOFよりもはるかに多くの水を吸収し、しかもその速度がはるかに速い」と、Yaghi氏は述べている。「これにより、水の出し入れがはるかに速く行えるようになる。空気を送り込み、1日に何度も循環させて水を回収することができる」
Yaghi氏のハーベスターに関する問い合わせは、世界中の人々、機関、国々から、ほぼ毎日寄せられている。中東、アフリカ、南米、メキシコ、オーストラリア、そして地中海沿岸地域の乾燥地帯からの問い合わせが多い。慢性的に水が不足している砂漠の国々は、このハーベスターの可能性を高く評価している、とYaghi氏は述べている。同氏自身も、別の乾燥した国であるヨルダン出身である。
「大気中には、常時、すべての河川や湖沼とほぼ同じ量の水が存在している」と同氏は述べている。「この水を採取することで、乾燥した砂漠をオアシスに変えることができるかもしれない」
カリフォルニア大学バークレー校およびUniversity of South Alabamaの追加の研究者も、本研究に貢献した。ハーベスターの改良に対する資金の大部分は、サウジアラビアのKing Abdulaziz City for Science and Technologyから提供されている。これは、KACST–カリフォルニア大学バークレー校の共同プロジェクトであるNanomaterials and Clean Energy Applications Center of Excellenceの一環である。
出典： カリフォルニア大学バークレー校
