国際的なエンジニアチームが、世界の最も遠く離れた乾燥地域での飲料水へのアクセスを改善できる大気中の水収集装置を開発したことにより、2025年ギズモード科学フェアの優勝者となった。
質問
地球上で最も乾燥した場所でも、空気中から水を引き出すことはできるのでしょうか?
結果
マサチューセッツ工科大学（MIT）の機械工学および土木環境工学の教授であるXuanhe Zhao氏率いるエンジニアたちは、極めて限られた資源条件下でも清潔な飲料水を生み出す大気水採取「窓」（AWHW）を開発しました。この装置はコンパクトで完全に自立しており、必要なのは太陽光のみです。
「私は世界の難題を解決するために柔らかい素材を発明しています」とZhao氏はGizmodoに語った。
AWHWの集水機能の中核となるのはハイドロゲルです。この素材は親水性ポリマーネットワークから作られ、空気中の水分を容易に吸収する吸湿性塩が豊富に含まれています。黒いプチプチのような外観で、小さなドーム状の構造が水分を吸収すると膨張し、乾燥すると収縮します。趙氏によると、この膨張と収縮を繰り返す構造は折り紙に着想を得たもので、この素材の効率を最大限に高めているとのこと。
次のステップは、ハイドロゲルによって集められた水を捕捉するチャンバーの設計でした。当初はピラミッド型のチャンバーを設計しようとしましたが、デバイスの設置面積が大きくなり、効率が犠牲になりました。そこで、趙氏はチームに、最もシンプルな設計とはどのようなものか尋ねました。
最終的に、エンジニアたちはハイドロゲルを冷却層をコーティングした2枚のガラス板で挟み込み、窓ほどの大きさの黒い垂直パネルを作成しました。このパネルを夜間屋外に置くと、気温が下がり湿度が上昇するにつれてハイドロゲルが水蒸気を吸収します。日中は、太陽光によってゲルが加熱され、吸収した水が蒸発してガラス板に結露し、パネルを伝ってチューブから排出されます。
「この窓のようなデザインは非常に効果的であることがわかりました」と趙氏は語った。
研究チームは、北米で最も乾燥した地域であるデスバレーで、大気水採取窓（AWHW）を1週間にわたって試験しました。6月にNature Water誌に掲載された結果は、この装置が極端に湿度の低い環境でも効果を発揮することを示しました。この装置は湿度21%から88%までの範囲で動作し、1日あたり最大でカップ3分の2（160ml）の水を生産しました。しかも、この水はすぐに飲める状態でした。
「これには本当に驚きました」と、デスバレー研究の共同筆頭著者で、元MITポスドクの「ウィル」・チャン・リュー氏はギズモードに語った。「相対湿度が非常に低い状況でも、非常にうまく機能します。」また、このテストでは、チームの垂直配置が効率の鍵であり、ハイドロゲルパネルが両面から水分を採取できることも示されたとリュー氏は付け加えた。
「私たちはこの仕事、そして安全な飲料水を最も必要としている人々を助ける可能性について、本当に誇りに思い、興奮しています」と趙氏は述べた。
なぜ彼らはそれをしたのか
世界保健機関（WHO）と国連児童基金（UNICEF）のデータによると、世界中で20億人以上が清潔な飲料水にアクセスできない状態にあります。専門家は、人口増加、経済発展、不十分な資源管理、そして気候変動によって地球の淡水供給が枯渇するにつれ、この数字は増加すると予想しています。
資源が限られた地域で暮らす人々に安全で管理しやすい飲料水を供給する方法の開発は、「世界にとって大きな課題です」と趙氏は述べた。水不足に苦しむ人々の多くは、河川、帯水層、湖といった陸地資源にアクセスできないが、地球上のあらゆる場所に、大気という広大な淡水資源が存在する。
「大気中には、世界中の河川全体の7倍もの淡水が含まれています」と趙氏は述べた。大気中に存在する数兆ガロンの水蒸気のほんの一部でも活用できれば、清潔な水へのアクセス改善に大きく貢献するだろう。また、水不足に悩む農村部に住む多くの人々は、安定した電力供給と技術機器のメンテナンスに必要な資源が不足していると趙氏は説明した。こうしたギャップを克服するには、大気水採取システムはシンプルで自立的、かつ堅牢でなければならない。
劉氏は、ハイドロゲルベースのAWHWは環境に受動的に反応し、電力を必要としないと説明した。そのため、オフグリッド地域の水資源の安全性を高めるのに特に適していると彼女は述べた。
「これらの政権にこの施設を配備すれば、人々に命を救う飲料水を供給することができる」と趙氏は語った。
彼らが勝者である理由
大気水採取装置の開発に取り組んでいるのは、このチームだけではありません。他の設計も効果が実証されていますが、AWHWはいくつかの重要な点でそれらを改良しています。
金属有機構造体（MOF）を用いた設計は、これまでで最も効率的なものの一つとして注目されています。これらの超多孔質材料は水分を素早く吸収し、湿度14%という低湿度でも効果を発揮しますが、コスト効率はそれほど高くないとLiu氏は述べています。さらに、MOFは水分を吸収しても膨張したり伸びたりしないため、水蒸気保持能力が制限されます。一方、ハイドロゲルは水分子を材料の体積に吸収するため、より多くの水分を保持できます。さらに、マイクロポアとナノポアのネットワークが水分の吸収と放出を加速します。
しかし、すべてのハイドロゲルが同じように作られているわけではありません。MITを含む多くの設計では、吸水性を高めるために塩分を豊富に含むハイドロゲルが使用されています。しかし、これはしばしば塩分の漏出を引き起こし、採取した水を汚染します。AWHWは、ハイドロゲルにグリセロールを添加することでこの問題を克服しています。この液体化合物は塩分を自然に安定化させ、結晶化して水中に漏出するのを防ぎます。さらに、このハイドロゲルはナノスケールの細孔のない微細構造を有しており、塩分の漏出をさらに防ぎます。そのため、AWHWで生成される水の塩分濃度は、他のハイドロゲルベースの設計に比べて大幅に低くなっています。
「さらに精製しなくても、そのまま飲める」と趙氏は語った。
次は何？
デスバレーでの試験では、AWHWが極度の乾燥条件下でも良好に機能することが示されましたが、趙氏と彼のチームは依然として装置の効率向上に取り組んでいます。彼らの最終目標は、砂漠気候下でも全世帯に供給できる量の水を生産することです。そのために、彼らは複数のパネルを連携させて集水量をさらに高めるアレイを開発しています。
研究チームは、モロッコを含む他の場所でもこの装置のテストを計画しているとリュー氏は述べた。モロッコでは、共同研究者のユセフ・ハビビ氏がムハンマド6世工科大学持続可能材料研究センターを率いている。現在、シンガポール国立大学で機械工学の助教授を務めるリュー氏は、シンガポールの湿度の高い熱帯気候でもAWHWのテストを行ないたいと考えている。その後の次のステップは、製造規模を拡大し、この技術を一般の人々が利用できるようにし、普及活動を行うことだ。
チーム
Xuanhe Zhao氏が率いるMITチームには、Will Chang Liu氏、Xiao-Yun Yan氏、Shucong Li氏、Bolei Deng氏も参加しています。MIT以外の貢献者としては、香港大学のNicholas X. Fang氏、シンガポール大学のHongshi Zhang氏、モロッコのムハンマド6世工科大学のYoussef Habibi氏、香港中文大学のShih-Chi Chen氏などがいます。
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