世界で22億人が安全な飲料水にアクセスできない現状に対し、MITの研究チームが画期的な解決策を開発した。大気中の水蒸気を捕獲して安全な飲料水に変換する窓サイズの装置で、電源不要で動作し、北米で最も乾燥したカリフォルニア州デスバレーでの1週間の実証試験で、1日最大160ml（約3分の2カップ）の飲料水生産に成功している。
この装置は黒色の垂直パネル型で、水を吸収するハイドロゲル材料を冷却層でコーティングしたガラス室に封入した構造となっている。ハイドロゲルは黒いプチプチのような外観で、水蒸気を吸収すると小さなドーム状構造が膨張し、捕獲した蒸気が蒸発すると折り紙のような変形でドームが縮小する。蒸発した蒸気はガラス面で凝縮し、チューブを通じて清潔で飲用可能な水として流出する仕組みだ。
電源不要の完全自律システム
この装置の最大の特徴は、バッテリー、ソーラーパネル、電力網からの電気を必要とせず、完全に自律動作することだ。他の設計とは異なり、外部電源に依存せずに機能する。
MITの機械工学・土木環境工学のXuanhe Zhao教授は「ソーラーセルでさえアクセスしにくい資源限定地域への展開を想定したメーター規模のデバイスを構築した。この水収穫技術のスケールアップの実現可能性テストだ。今後、人々はさらに大型化したり、並列パネルにして飲料水を供給し、実際の影響を実現できる」と述べている。
研究チームは複数の垂直パネルを小規模アレイとして設置することで、乾燥した砂漠環境でも家庭に飲料水を受動的に供給できると推定している。さらに、システムの水生産量は湿度とともに増加するため、温帯・熱帯気候での飲料水供給も可能としている。
塩分漏出を防ぐ新技術
従来のハイドロゲルベースの水収穫装置では、生産された水が塩辛くなり、追加のろ過が必要だった。塩は自然に吸湿性があり、研究者たちは材料の水分吸収を高めるため、通常は塩化リチウムをハイドロゲルに埋め込む。しかし、この塩が水と一緒に漏出するという欠点があった。
今回の新設計では塩分漏出を大幅に制限している。ハイドロゲル内にグリセロールという液体化合物を追加し、塩を自然に安定化させてゲル内に保持し、結晶化して水と一緒に漏出することを防いでいる。ハイドロゲル自体もナノスケール孔のない微細構造を持ち、塩の材料からの逃出をさらに防いでいる。
採取された水の塩分レベルは安全な飲料水の標準閾値を下回り、他の多くのハイドロゲルベースの設計で生産されるレベルを大幅に下回った。
研究チームは組成の調整に加え、ゲルの形状も改良した。平坦なシートのまま保つのではなく、プチプチに似た小さなドームのパターンに成型し、ゲルの表面積と吸収可能な水蒸気量を増加させている。
2023年にデスバレーで実施した7日間の実験では、湿度21％から88％の範囲で装置が動作し、1日あたり57から161.5mlの飲料水を生産することができた。最も乾燥した条件下でも、この装置は他の受動型設計や一部の能動電源設計よりも多くの水を収穫できるとしている。
研究の詳細は学術誌「Nature Water」に掲載されており、筆頭著者は元MIT博士研究員で現在シンガポール国立大学助教授のChang Liu氏が務めている。この研究はMIT J-WAFS水食品シード助成金、MIT-香港中文大学共同研究プログラム、UM6P-MIT共同研究プログラムの一部として支援を受けている。