Предположим, вы живете в жарком и душном климате и хотите построить новый дом, комфортный и энергоэффективный. Одно решение для его осушения? Водопад с особым ингредиентом. Читайте дальше, чтобы узнать о научных фактах, стоящих за этим явлением, и о реальном примере домашнего водопада в действии.
Предположим, вы живете в жарком и душном климате и хотите построить новый дом, комфортный и энергоэффективный. Вы пришли ко мне, строителю, и спросили, как мы можем осушить дом, и я сказал вам поставить водопад в вашей гостиной.
После того, как вы меня уволили, я погнался за вами и убедил вас позволить мне объяснить. Да, кажется невероятным, чтобы текущая вода могла забирать влагу из воздуха, но это не обычный водопад. В его состав входит особый ингредиент, и он действует в соответствии с одним из самых мощных принципов природы - Вторым законом термодинамики.
Читайте дальше, чтобы узнать о научном обосновании этого явления и реальном примере домашнего водопада в действии.
Вспомните свой последний (и, возможно, далекий) урок физики, и вы вспомните, что в изолированной системе энергия стремится к энтропии. Этот принцип активирует и повторно активирует работу, которую живые существа получают от градиентов.
Это тот самый «бесплатный серфинг», о котором я писал в своей прошлой статье, и живой мир изобилует примерами. На моем изображено дерево, вытягивающее воду из почвы по градиенту, которое начинается с испарения его листьев.
Дерево имеет дополнительный градиент, который помогает этому испарительному двигателю, и он также основан на втором законе. Это осмос. В клетках корней дерева, например, есть избирательные мембраны, пропускающие одни молекулы, такие как вода, и блокирующие другие, такие как соли.
Когда определенные минералы достигают высоких концентраций, вода поступает в клетку, разбавляя более высокие концентрации и достигая равновесия по обе стороны мембраны. Растение использует это для извлечения воды из почвы, иногда преодолевая для этого нагрузку в десятки атмосфер.
Есть много других примеров. Парящие птицы пользуются конвекционными потоками или термиками, дрейфующие личинки передвигаются по сходным градиентам жидкости, первоначально перемешиваемым ветрами, создаваемыми температурными градиентами.
Даже луговые собачки стали мудрее и строят свои дома с отверстиями на разной высоте, чтобы создать в доме ветерок благодаря эффекту Бернулли.
Возможно, самый важный энергетический градиент лично для всех нас происходит в нашем организме на клеточном уровне. В предыдущей статье я упомянул несколько ключевых компонентов природных энергетических систем. Одним из них является стандартная единица энергии, аденозинтрифосфат (АТФ), который представляет собой молекулу сахарофосфата, которую растения и животные производят и используют для обеспечения своих биологических процессов.
Энергия исходит от отщепления одного из фосфатов от АТФ, тем самым высвобождая энергию, запасенную в химической связи. Затем эта энергия используется для других целей в клетке, например, для построения белков. Добавьте еще один фосфат к только что очищенному аденозиндифосфату (АДФ), и вы снова вернетесь к исходной силовой единице, АТФ. Это происходит сейчас, когда вы читаете это, миллионы раз в каждой клетке вашего тела.
Что меня восхищает в АТФ, так это то, как она производится, и ее производство зависит от градиента. Будь то митохондрии животных или хлоропласты растений, молекула состоит из самого близкого к турбине вещества, которое есть в природе, - АТФ-синтазы, вращающегося ротора, встроенного в мембрану любой органеллы. Этот вращающийся кластер ферментов приводится в действие ионами водорода (протонами), втекающими в митохондрию, подобно воде, проходящей через мельничное колесо. Вращение вырабатывает энергию для производства нашей стандартной силовой единицы, АТФ. Ротор может вращаться и в обратном направлении, на этот раз питаясь от АТФ изнутри, выкачивая протоны из митохондрии.
Этот градиент ионов водорода по обе стороны мембраны поддерживается органеллой. Митохондрия, например, будет повышать концентрацию ионов снаружи, чтобы они мчались через ротор АТФ-синтазы, точно так же, как ребенок на пляже наполняет водой свое пластиковое водяное колесо, чтобы оно вращалось. Опять же, физические вещи могут стремиться к равновесию, но живые существа заняты поддержанием неравновесия, потому что именно это делает всю работу.
Наш водопад находится в хорошей компании, поэтому он тоже сэкономит вам энергию, путешествуя по второму закону. Он также будет использовать разницу в концентрации и движение молекул от более высокой к более низкой концентрации и давлению.
Его секретный ингредиент - хлорид кальция, добавляемый в воду. Хлорид кальция, соль, является влагопоглотителем, точно так же, как поваренная соль и рисовое зерно, которые вы кладете в шейкер, чтобы оно свободно текло. Он гигроскопичен, то есть притягивает молекулы воды из воздуха путем поглощения или адсорбции.
У нас есть система жидкого влагопоглотителя, функция влажного потока, которая может высасывать воду из воздуха в помещении при гораздо меньших затратах энергии. Эти системы уже много лет используются в коммерческом и производственном секторе, уменьшая образование льда, рост плесени и другие последствия влажного воздуха. В отличие от стандартных кондиционеров сжатого воздуха, им не нужно снижать температуру воздуха до уровня, необходимого для осаждения воды, а затем расходовать больше энергии, чтобы поднять его для комфортного проживания.
Идея водопада исходит от умной группы студентов и преподавателей Университета Мэриленда, которые недавно использовали его в образцовой зеленой резиденции, превратив функциональный механизм в эстетическую особенность. За свои усилия они были удостоены второго места за свой LEAF House в конкурсе Solar Decathalon Министерства энергетики США в 2007 году.
Как и во всех наших примерах, есть момент, когда энергия должна использоваться для поддержания неравновесия. Митохондрия должна выкачать больше ионов, птица должна взмахнуть крыльями, чтобы достичь восходящего потока, ребенок должен снова наполнить водяное колесо. В этом случае влагопоглотитель разбавляется водой, которую он собрал из воздуха, градиент останавливается, и лишняя вода должна быть удалена из системы.
Команда LEAF House, как это обычно бывает в этих системах, решила эту проблему, нагрев воду до испарения и выпустив ее наружу, так называемая фаза регенерации системы. Чтобы снизить затраты на электроэнергию, они использовали для работы солнечные водонагреватели, а не электричество. После того, как осушитель снова сконцентрирован, он готов выполнять дополнительную работу по вытягиванию воды из воздуха.
Как и во многих пассивных и полупассивных системах климат-контроля, эффективность кроется в деталях. Его коэффициент полезного действия (COP), или отношение выхода к входу, будет зависеть от многих различных факторов, таких как диапазоны температур, контактные поверхности и объемы потока. Тем не менее, это циклическая система кондиционирования воздуха с градиентным питанием и в основном пассивная, и она отлично справляется с использованием одного из самых мощных принципов природы.
В своей следующей статье я напишу об архитекторе, который спроектировал и построил два отмеченных наградами здания, в которых многие из этих термодинамических принципов действительно очень полезны.
Том МакКиг преподает биодизайн в Калифорнийском колледже искусств и Калифорнийском университете в Беркли. Он является основателем и президентом BioDreamMachine, некоммерческого образовательного института, который предлагает школам K12 дизайн, вдохновленный биотехнологиями, и естественнонаучное образование.