Өмнөд Калифорнийн нэгэн агуулахад байрлах лабораторид эрдэмтэн Хен Сү усны хомсдолын асуудлыг шийдэж, дэлхийг өөрчлөх потенциалтай төхөөрөмжөө танилцуулаад байна. 

Гартаа барьж хэрэглэдэг тус төхөөрөмж нь тийм ч онц гойд бус, хуучин орон сууцны паарны жижиг хувилбар гэмээр цагаан сараалжин зүйл байна. Гэтэл Сүтөхөөрөмжөө жинлүүр дээр тавихад хормын дотор жин нь нэмэгдэв. Хэдэн минут өнгөрөхөд өнөөх төхөөрөмж улам хүнд болсоор байлаа. Учир нь төхөөрөмж нүдэнд үл үзэгдэх усны молекулыг ойр орчмын агаараас хураан цуглуулсан нь тэр байлаа.

Хэдэн алхмын цаана дахин дөрвөн ус цуглуулагч төхөөрөмжийг шувууны байшин шиг хэлбэртэй нэвт харагддаг хуванцар бүхээг дотор байрлуулжээ. Бүхээг доторх дулаан агаар төхөөрөмжийн хураасан H2O молекулын холбоог салгаж, конденсатор усны уурыг шингэн төлөвт оруулж, улмаар доор нь тавьсан мензурк руу ус дусалж байв.

Металл органик бүтэц буюу MOF хэмээх уг технологи нь цахилгаан шаардахгүй бөгөөд нарны гэрэл тусаж байхад л ус бий болгож чадах аж. Энэ бол Калифорнийн Ирвайнхотод төвтэй “Atoco” стартапын хөгжүүлсэн, улам хуурайшиж буй дэлхийг усаар хангах шийдэл юм.

Лабораторид зориулсан энэхүү туршилтын төхөөрөмж ердөө хэдхэн миллиметр ус гаргаж авахаар загварчлагджээ. Эрдэмтэд уг технологийг улам төгөлдөржүүлэхээр ажиллаж байна. Компанийн хувьд цаашдаа иргэдэд зориулж уг төхөөрөмжийн өдөрт хэдэн мянган литр нэн цэвэр ус бий болгох хүчин чадалтай, арилжааны зориулалттай хувилбарыг бүтээхээр төлөвлөжээ. Орон сууцны агааржуулагч шиг хэмжээтэй ийм төхөөрөмж гэр бүлийг тань ундны усаар хангаж чадна гэсэн үг юм.

 “Усыг нүүртөрөгчийн ямар ч ул мөргүйгээр дэлхийн аль ч газарт, жилийн аль ч цагт агаарын чийгшлээс үл хамааран гарган авч болно” хэмээн MOF технологийг анхлан бүтээсэн, Калифорнийн их сургуулийн химийн профессор, 2021 онд “Atoco” компанийг үүсгэн байгуулсан Омар Ягиөгүүлж байлаа.

2024 оны НҮБ-ын судалгаанаас харвал дэлхийн хүн амын тэн хагас нь усны хомсдолд орж, 25 хувь нь усны хэрэглээний хэт эмзэг байдалтай нүүр тулаад байгаа аж. Дэлхийд тавдугаарт бичигдэх эдийн засагтай, чинээлэг Калифорнид ч нэг сая орчим иргэн ундны цэвэр ус хүртээмж дутагдалтай байгаа нь зургаадугаар сард гарсан тус тайланд тусгагджээ.

Уур амьсгалын өөрчлөлтөөс үүдэн хэт халалт, ган гачиг нэмэгдэхтэй зэрэгцэн дэлхий дахинд усны хомсдол даамжирч баян, ядуу хэн ч ялгаагүй өртөж байна. Гэхдээ манай гараг дээр хамгийн хуурай агаарт ч ус агуулагддаг аж. Агаар мандалд 12,900 км.куб буюу дэлхийн нууруудын нийт усны нөөцийн 14 хувьтай тэнцэх хэмжээний ус бий хэмээн АНУ-ын Геологийн судалгааны байгууллага тооцоолжээ. Харин MOF төхөөрөмж тэрхүү усыг хураан цуглуулах өвөрмөц аргачлалыг санал болгож байна.

“Doctor Who” цувралд гардаг Tardis-ийн адил тус төхөөрөмж гаднаасаа жижиг харагдах ч дотроо асар том аж. Ердөө нэг грамм MOF төхөөрөмжийн гадаргуугийн дэлгэмэл талбай хөлбөмбөгийн талбайтай дүйцэхүйц хэмжээтэй. “Atoco” компанийн Гүйцэтгэх захирал Самер Таха үүнийг базсан цаастай зүйрлэсэн юм. Цаас анхны хэмжээнээсээ жижгэрсэн ч гадаргуугийнх талбай хэвээрээ байдагтай ижил.

Тэгвэл үүнийг “Atoco” молекулын түвшинд хийж байгаа гэсэн үг. Ингэхдээ дотроо олон сүв бүхий нано хэмжээст талст бүтцийг инженерчлэх замаар хийж байгаа юм. Материалын хувьд MOF төхөөрөмжийг H2O гэх мэт тусгай молекулыг татдаг элементүүдээр хийдэг байна.

Компани тус төхөөрөмжөө төв байран дахь үндсэн лабораторийнхоо бяцхан өрөөнд угсарч эхэлжээ. Тэнд мензурк дотор хув шаргал өнгийн шингэн буцалгаж, дараа нь түүнийг сэнсрэг эргэлдүүрт хийн нунтаг болгох аж. Химичид органик “холбогч” молекулыг бүтээж буй нь энэ. Тус холбогч молекул нь металлын молекулыг холбож, MOF-ийн талстлаг бүтцийг тогтворжуулдаг байна.

Харин органик бус молекул нь сүвнүүдүүсгэж, агаараас хураасан H2O молекулыг микро түвшинд хураах савны үүргийг гүйцэтгэдэг байна. Сүв дотор хураагдах усны эхний молекулууд бусад молекулыг барьцалдуулах үүрэг гүйцэтгэх аж.

MOF нь нүүрстөрөгч, азот, устөрөгч, зэс, хөнгөнцагаан зэрэг ихэвчлэн элбэг олдоцтой материалаар бүтээгджээ. Гэхдээ “Atoco” компанид хэрэг болдог зарим тусгай молекулууд ховор учраас үнэтэй байдаг гэж Таха ярьж байлаа. Компанийн эрдэмтэд зардлаа бууруулах үүднээс тэдгээр молекулыг лабораторийн нөхцөлд нийлэгжүүлэн гаргаж авахаар ажиллаж байна.

Зэргэлдээх өрөөний шалан дээр нь хэдэн торх өрөөстэй байлаа. Ахлах судлаач Жейкоб Канади нано хэмжээст талст бүтцээс гарган авсан цагаан нунтгаар дүүргэсэн нэг торхны тагийг нээв. Үүн рүү барьцалдуулагчийг нэмэхэд нунтаг хатуурах бөгөөд тэр үед нь лабораторийн нөхцөлд ашиглах ус хураагчийн их биеийг хэлбэржүүлэх аж.

Агаар мандлаас усыг шүүн хураах уламжлалт арга нь усны уур шингэн төлөвт орох хүртэл нь агаарыг хөргөх явдал юм. Энэхүү процесс асар их цахилгаан эрчим хүч ашигладаг. Мөн чийгшил багатай орчинд уг арга үр дүнгүй байдаг. Хуурай бүс нутагт усыг гарган авах өөр нэг арга нь далайн усыг давсгүйжүүлэх бөгөөд мөн л асар их эрчим хүч шаардан, далайн амьтан, ургамалд сөргөөр нөлөөлж, давсны хаягдал бий болгодог.

Харин MOF төхөөрөмж дээрх асуудлыг тойрч, бага хэмжээний эсвэл ямар ч цахилгаан ашиглахгүйгээр газар дээр нь цэвэр ус бий болгож байна. Үүнийгээ хувьслын технологи гэж Яги үздэг. “Хүн төрөлхтөн түүхэндээ анх удаа материалыг атомын болон молекулын түвшинд хувирган өөрчилж, ямар нэг зориулалтаар нарийн загварчлах чадамжтай болсон” гэж тэрээр өгүүлж байв.

Бусад стартапууд ч агаараас ус шүүн цуглуулах MOF төхөөрөмжийг хөгжүүлж байна. “Atoco”-д гэхдээ нэгэн давуу тал бий. Профессор Яги торлогийн хими хэмээх салбарт ажиллаж байхдаа материалаа хөгжүүлж, улам боловсронгуй болгожээ. “Профессор Ягигийн өнгөрсөн арван жилийн ололт амжилт биднийг өрсөлдөөнд тэргүүлэх үндэс болж байна” хэмээн Тахаөгүүлж байлаа. “Atoco” уг төхөөрөмжөө хэзээ зах зээлд нэвтрүүлэхийг тэрээр хэлээгүй ч “тийм ч удахгүй” гэсэн юм.

“Энэ технологи маш сайн ажиллана гэсэн итгэл үнэмшилтэй болох хүртлээ би эдгээр хүмүүстэй урт удаан хамт ажилласан. Сайн ажиллаж байгаа нь ч практик дээрээс харагдаж байна” хэмээн Гальярди өгүүлж байв. 2022 оны наймдугаар сард Яги болон Беркли дэх Калифорнийн Их Сургуулийн эрдэмтэд хамтдаа дэлхийн хамгийн халуун, хуурай газруудын нэг болох Калифорнийн “Үхлийн хөндий” үндэсний цэцэрлэгт хүрээлэнд зөөврийн ус хураагчийнхаа анхны хувилбарыг туршжээ.

Шөнөдөө ус хураагч агаар мандлаас усны молекулыг өөртөө татан авна. Өдөр нь нарны гэрэл ус хураагчийг бүлээцүүлэн, усны молекул чөлөөлөгдөхөд конденсатор усны уурыг шингэрүүлдэг аж. Газрын гадарга Цельсийн 60 хэм, дундаж чийгшил 14 хувьтай байх үед ус хураагч өдөрт 118-207 мм ус гарган авсныг “Nature Water” сэтгүүлд хэвлэгдсэн 2023 оны судалгаандаа судлаачид онцолсон байв. Энэ нь хэдийгээр нэг хүний хоногийн усны хэрэгцээг хангахад хангалтгүй ч тус технологи ирээдүйтэй гэдгийг харуулж байгаа юм.

Агаар мандлаас ус гарган авах энэхүү технологи усыг давсгүйжүүлэх боломжгүй, чийгшил багатайн улмаас агаар мандлаас ус хураах уламжлалт технологийг ашиглах үр дүнгүй дэлхийн хуурай, тарчигхан бүс нутгуудад асуудлын томоохон шийдэл болохоор байна.

Ус хураах уламжлалт төхөөрөмж нь усны уурыг цуглуулахдаа давхар бохирдолтой агаарыг хураадаг тул дараа нь хураасан усаа цэвэршүүлэх гэж нэмэлт зардал гаргадаг байжээ. Харин MOF төхөөрөмж зөвхөн H2O молекулыг хураан авч, бохирдлыг шүүн, нанопластикгүй, пер ба полифторалкил бодисууд болон бусад төрлийн химийн хоргүй усыг гарган авдаг байхаар зохион бүтээгджээ.

“Бид анхнаасаа усны хомсдолыг арилгахын төлөө бүх хүчээ дайчилж, хуурай нөхцөлд үйл ажиллагаа явуулах гэж хичээсэн. Улмаар бусдыг чадаагүй байхад бид хуурай газраас ус хураан нөөцөлж чаддаг болсон маань бидний өрсөлдөөний давуу тал болсон” хэмээн Таха өгүүлж байлаа.

“Atoco” зөвхөн нарны гэрлээр ажиллаад зогсохгүй сэргээгдэх эрчим хүчээр цэнэглэгддэг ус хураагч зохион бүтээж байгаа юм. Ингэснээр бүрхэг үед, эсвэл шөнийн цагаар ч төхөөрөмж ажиллаж болно. Мөн илүү их молекул цуглуулахын тулд сэнс ажиллуулж, гарган авах усныхаа хэмжээг нэмэгдүүлэх аж.

АНУ-ын зэвсэгт хүчин Агаар мандлын ус олборлолтын хөтөлбөр санаачлан энэ чиглэлд хүчин чармайлтыг улам нэмэгдүүлжээ. 2020 онд Батлан ​​хамгаалахын ахисан түвшний судалгааны төслүүдийн агентлагаас цэргүүдийг ундны усаар хангах MOF төхөөрөмжийг бүтээлгэхээр “General Electric” компанид 14 сая ам.долларын санхүүжилт олгосон байна. Тухайн үед компани Яги, Гальярдинарыг уг төсөл дээрээ зөвлөхөөр ажиллуулсан ба одоо “General Electric” компани ердөө 2 кг жинтэй MOF төхөөрөмжөөр өдөрт 22 литр усыг Батлан ​​хамгаалахын ахисан түвшний судалгааны төслүүдийн агентлагт нийлүүлж байгаа. Тун ч ирээдүйтэй технологи гэж бодож байна” хэмээн Гальярди өгүүлж байлаа.

Компани тус төхөөрөмжөө төв байран дахь үндсэн лабораторийнхоо бяцхан өрөөнд угсарч эхэлжээ. Тэнд мензурк дотор хув шаргал өнгийн шингэн буцалгаж, дараа нь түүнийг сэнсрэг эргэлдүүрт хийн нунтаг болгох аж. Химичид органик “холбогч” молекулыг бүтээж буй нь энэ. Тус холбогч молекул нь металлын молекулыг холбож, MOF-ийн талстлаг бүтцийг тогтворжуулдаг байна.

Харин органик бус молекул нь сүвнүүдүүсгэж, агаараас хураасан H2O молекулыг микро түвшинд хураах савны үүргийг гүйцэтгэдэг байна. Сүв дотор хураагдах усны эхний молекулууд бусад молекулыг барьцалдуулах үүрэг гүйцэтгэх аж.

MOF нь нүүрстөрөгч, азот, устөрөгч, зэс, хөнгөнцагаан зэрэг ихэвчлэн элбэг олдоцтой материалаар бүтээгджээ. Гэхдээ “Atoco” компанид хэрэг болдог зарим тусгай молекулууд ховор учраас үнэтэй байдаг гэж Таха ярьж байлаа. Компанийн эрдэмтэд зардлаа бууруулах үүднээс тэдгээр молекулыг лабораторийн нөхцөлд нийлэгжүүлэн гаргаж авахаар ажиллаж байна.

Зэргэлдээх өрөөний шалан дээр нь хэдэн торх өрөөстэй байлаа. Ахлах судлаач Жейкоб Канади нано хэмжээст талст бүтцээс гарган авсан цагаан нунтгаар дүүргэсэн нэг торхны тагийг нээв. Үүн рүү барьцалдуулагчийг нэмэхэд нунтаг хатуурах бөгөөд тэр үед нь лабораторийн нөхцөлд ашиглах ус хураагчийн их биеийг хэлбэржүүлэх аж.

Агаар мандлаас усыг шүүн хураах уламжлалт арга нь усны уур шингэн төлөвт орох хүртэл нь агаарыг хөргөх явдал юм. Энэхүү процесс асар их цахилгаан эрчим хүч ашигладаг. Мөн чийгшил багатай орчинд уг арга үр дүнгүй байдаг. Хуурай бүс нутагт усыг гарган авах өөр нэг арга нь далайн усыг давсгүйжүүлэх бөгөөд мөн л асар их эрчим хүч шаардан, далайн амьтан, ургамалд сөргөөр нөлөөлж, давсны хаягдал бий болгодог.

Харин MOF төхөөрөмж дээрх асуудлыг тойрч, бага хэмжээний эсвэл ямар ч цахилгаан ашиглахгүйгээр газар дээр нь цэвэр ус бий болгож байна. Үүнийгээ хувьслын технологи гэж Яги үздэг. “Хүн төрөлхтөн түүхэндээ анх удаа материалыг атомын болон молекулын түвшинд хувирган өөрчилж, ямар нэг зориулалтаар нарийн загварчлах чадамжтай болсон” гэж тэрээр өгүүлж байв.

Бусад стартапууд ч агаараас ус шүүн цуглуулах MOF төхөөрөмжийг хөгжүүлж байна. “Atoco”-д гэхдээ нэгэн давуу тал бий. Профессор Яги торлогийн хими хэмээх салбарт ажиллаж байхдаа материалаа хөгжүүлж, улам боловсронгуй болгожээ. “Профессор Ягигийн өнгөрсөн арван жилийн ололт амжилт биднийг өрсөлдөөнд тэргүүлэх үндэс болж байна” хэмээн Тахаөгүүлж байлаа. “Atoco” уг төхөөрөмжөө хэзээ зах зээлд нэвтрүүлэхийг тэрээр хэлээгүй ч “тийм ч удахгүй” гэсэн юм.

“Энэ технологи маш сайн ажиллана гэсэн итгэл үнэмшилтэй болох хүртлээ би эдгээр хүмүүстэй урт удаан хамт ажилласан. Сайн ажиллаж байгаа нь ч практик дээрээс харагдаж байна” хэмээн Гальярди өгүүлж байв. 2022 оны наймдугаар сард Яги болон Беркли дэх Калифорнийн Их Сургуулийн эрдэмтэд хамтдаа дэлхийн хамгийн халуун, хуурай газруудын нэг болох Калифорнийн “Үхлийн хөндий” үндэсний цэцэрлэгт хүрээлэнд зөөврийн ус хураагчийнхаа анхны хувилбарыг туршжээ.

Шөнөдөө ус хураагч агаар мандлаас усны молекулыг өөртөө татан авна. Өдөр нь нарны гэрэл ус хураагчийг бүлээцүүлэн, усны молекул чөлөөлөгдөхөд конденсатор усны уурыг шингэрүүлдэг аж. Газрын гадарга Цельсийн 60 хэм, дундаж чийгшил 14 хувьтай байх үед ус хураагч өдөрт 118-207 мм ус гарган авсныг “Nature Water” сэтгүүлд хэвлэгдсэн 2023 оны судалгаандаа судлаачид онцолсон байв. Энэ нь хэдийгээр нэг хүний хоногийн усны хэрэгцээг хангахад хангалтгүй ч тус технологи ирээдүйтэй гэдгийг харуулж байгаа юм.

Агаар мандлаас ус гарган авах энэхүү технологи усыг давсгүйжүүлэх боломжгүй, чийгшил багатайн улмаас агаар мандлаас ус хураах уламжлалт технологийг ашиглах үр дүнгүй дэлхийн хуурай, тарчигхан бүс нутгуудад асуудлын томоохон шийдэл болохоор байна.

Ус хураах уламжлалт төхөөрөмж нь усны уурыг цуглуулахдаа давхар бохирдолтой агаарыг хураадаг тул дараа нь хураасан усаа цэвэршүүлэх гэж нэмэлт зардал гаргадаг байжээ. Харин MOF төхөөрөмж зөвхөн H2O молекулыг хураан авч, бохирдлыг шүүн, нанопластикгүй, пер ба полифторалкил бодисууд болон бусад төрлийн химийн хоргүй усыг гарган авдаг байхаар зохион бүтээгджээ.

“Бид анхнаасаа усны хомсдолыг арилгахын төлөө бүх хүчээ дайчилж, хуурай нөхцөлд үйл ажиллагаа явуулах гэж хичээсэн. Улмаар бусдыг чадаагүй байхад бид хуурай газраас ус хураан нөөцөлж чаддаг болсон маань бидний өрсөлдөөний давуу тал болсон” хэмээн Таха өгүүлж байлаа.

“Atoco” зөвхөн нарны гэрлээр ажиллаад зогсохгүй сэргээгдэх эрчим хүчээр цэнэглэгддэг ус хураагч зохион бүтээж байгаа юм. Ингэснээр бүрхэг үед, эсвэл шөнийн цагаар ч төхөөрөмж ажиллаж болно. Мөн илүү их молекул цуглуулахын тулд сэнс ажиллуулж, гарган авах усныхаа хэмжээг нэмэгдүүлэх аж.

АНУ-ын зэвсэгт хүчин Агаар мандлын ус олборлолтын хөтөлбөр санаачлан энэ чиглэлд хүчин чармайлтыг улам нэмэгдүүлжээ. 2020 онд Батлан ​​хамгаалахын ахисан түвшний судалгааны төслүүдийн агентлагаас цэргүүдийг ундны усаар хангах MOF төхөөрөмжийг бүтээлгэхээр “General Electric” компанид 14 сая ам.долларын санхүүжилт олгосон байна. Тухайн үед компани Яги, Гальярдинарыг уг төсөл дээрээ зөвлөхөөр ажиллуулсан ба одоо “General Electric” компани ердөө 2 кг жинтэй MOF төхөөрөмжөөр өдөрт 22 литр усыг Батлан ​​хамгаалахын ахисан түвшний судалгааны төслүүдийн агентлагт нийлүүлж байгаа. Тун ч ирээдүйтэй технологи гэж бодож байна” хэмээн Гальярди өгүүлж байлаа.

Нийтлэлийг бичсэн: Тодд Вуди