テキサス大学オースティン校の技術者チームは最近、空気から直接飲料水を収集できる革新的なジャケットを開発し、同時に記録破りの太陽光発電による大気水収集システムを立ち上げました。これは、きれいな水源のない人々に新たな持ち運び可能な水を提供することが期待されています。研究者らは、この技術は、ハイカー、キャンピングカー、長距離ランナー、農場労働者、緊急救助隊員、軍人など、自然環境やインフラの弱い地域で長時間過ごす人々に特に適していると述べている。

この「ウォータージャケット」は特別に設計された繊維素材を使用しており、周囲の空気から湿気を吸収し、水蒸気を繊維に沿って取り外し可能な収集ユニットに導き、折り畳み式の集水装置を通じて水を加熱して放出し、最終的には直接飲めるきれいな水を得ることができます。さまざまな湿度条件下で、このジャケットは 1 日あたり約 400 ～ 900 ml (14 ～ 30 液量オンスに相当) の飲料水を生成することができ、個人が外出先で水源を得るためにかなりの供給能力を提供します。

プロジェクトリーダーの一人で、コックレル工科大学機械工学科およびテキサス材料研究所教授のYu Guihua氏は、これまで人々は「空気水抽出」というと箱や板状の装置、大型の吸着床などの固定設備を想像するのが一般的だったが、今回の研究はこの種の技術を形の面から完全に「再構築」しようとしていると指摘した。生地自体が空気中の湿気を集めることができれば、個人用および携帯用の水の使用にまったく新しい可能性と用途が開かれるでしょう。

この新しいタイプの繊維は、既存の大気中吸水材と比較して、約3～10倍の大幅な性能向上を実現しました。その主な進歩は、吸水能力を向上させるだけでなく、繊維内の水の輸送経路を再設計することです。研究チームは、構造と材料の共同設計を通じて、繊維の表面で水を空気中の水蒸気から液体に素早く変換し、繊維の内部に効率的に送り込むことを可能にし、それによって実験室のプロトタイプからウェアラブルシステムへの飛躍を達成しました。

このプロジェクトの共著者で化学工学教授のキース・ジョンストン氏は、本当の鍵は単に余分な吸水性素材を作ることではなく、この「高速伝送経路」の設計にあると指摘した。水蒸気を液体状態に、そして布地に伝達するこの伝達システムにより、実際の用途において素材が従来のソリューションよりもはるかに効率的に機能できるようになり、衣類、バックパック、テント、緊急避難施設など、より多くの製品形態への拡張の基礎が築かれました。

研究チームは、将来的には、屋外レクリエーション、野外作業、災害対応、干ばつや給水インフラが脆弱な地域でのこの技術の応用の探索に重点を置き、ウェアラブル水汲み装置を水の安全性とアクセスしやすさを向上させる補助手段にするよう努めると述べた。このプロセスでは、性能を確保しながら、材料のスケーラブルな生産、耐久性、ユーザーの快適性をどのように実現するかが、その後のエンジニアリングの重要な方向性となります。

ジャケットと並行して、チームは太陽光発電を利用した現場でのポータブル大気水抽出装置も開発し、ニューメキシコ州のチワワ砂漠の高温で乾燥した環境とテキサス州オースティンの湿潤な気候でのフィールドテストを完了しました。テスト結果は、このシステムが乾燥環境と半湿潤環境の両方で 1 日あたり約 1.3 リットルまたは 44 液量オンスのきれいな飲料水を収集できることを示し、気候条件全体で安定した水生産能力を実証しています。

材料使用量に基づいて計算すると、このシステムは 1 日あたり吸収性材料 1 キログラムあたり約 4.3 リットルの水を生成できます。これは、材料 2.2 ポンドあたり約 1.1 ガロンの 1 日あたりの平均水生成量に相当し、これまでの多くの同様の研究で報告された記録を破っています。この論文の最初の著者の一人であるGuan Weixin氏は、これは「実用的な大気中の水の収集​​」に向けた重要な一歩であると述べた。分子設計からシステムの実際の動作に至るまでのチームの長年の蓄積により、最終的に現場展開可能なデバイス上での統合のブレークスルーが達成されました。

この高性能取水システムの核となるのは、バイオマス由来の材料で作られた特殊なハイドロゲル生地であり、低エネルギー消費で水蒸気の吸着と放出のプロセスを完了します。ヒドロゲルは空気中の水蒸気を吸収することができ、太陽光で加熱されると吸収した水を放出し、凝縮によって液体の水に収集し、それによって太陽エネルギーを利用して完全な水収集サイクルを推進することができます。

研究チームは、この技術は、北アフリカの一部、中東、南アジア、サハラ以南アフリカなど、伝統的な集中型給水インフラの構築や維持が困難なことが多い、世界で最も水が不足している地域の多くで高い応用可能性を秘めていると指摘している。この繊維およびジェルベースの分散型取水ソリューションを通じて、遠隔地コミュニティ、災害救援現場、インフラが限られた地域でも、複雑なパイプ網を必要とせずに飲料水源にアクセスできる可能性があります。

関連する結果は、「Science Advances」と「Nature Water」という 2 つの雑誌に掲載されています。前者では、個人用ウェアラブル大気水収集のためのスケーラブルな階層繊維構造について詳しく説明し、後者では、さまざまな気候条件下でのポータブルな太陽光駆動の高級大気水収集システムの設計と現場での検証を示しています。研究チームは、これらの材料やシステムが成熟し、応用に向けて動き続けるにつれて、水不足の環境で人々が「服を着て飲料水を得る」という将来のシナリオが、想像から現実へと徐々に移行しつつあると考えている。