Технологии добычи воды из воздуха: инновации Atoco в Ирвайне
На парковке в промышленном парке Ирвайна, штат Калифорния, компания-стартап Atoco представила установку высотой 20 футов, предназначенную для добычи воды из атмосферного воздуха. Несмотря на необычное для подобных технологий место, устройство наглядно демонстрирует использование инновационных материалов — металлоорганических каркасов (MOF). Именно эти разработки принесли основателю компании Омару Яги Нобелевскую премию по химии в 2025 году. Прототипы Atoco уже способны производить галлоны воды в сутки.
Главная особенность данной итерации технологии заключается в отсутствии необходимости подключения к электросети. Устройство не требует электричества ни для захвата воды на микроскопическом уровне, ни для её высвобождения из материалов в пригодную для использования форму. Для работы системы достаточно низкопотенциального промышленного тепла.
Потенциал интеграции с центрами обработки данных
В Atoco отмечают, что такая особенность делает их разработки идеальным дополнением для дата-центров ИИ. Подобные объекты генерируют колоссальные объемы отработанного тепла, одновременно нуждаясь в больших количествах воды для охлаждения. Генеральный директор Atoco Самер Таха признает, что четыре-пять лет назад они не рассматривали дата-центры как целевой рынок, однако масштабное развитие этой индустрии создало новую возможность, которая поможет компании приблизиться к главной цели: обеспечению ресурсами регионов с дефицитом воды.
Принципы работы металлоорганических каркасов
Омар Яги, работавший над созданием MOF последние 20 лет, описывает эти структуры как результат перевода теоретических исследований в практическую плоскость — соединение органических материалов с ионами металлов. Сет Коэн, декан факультета физических наук Калифорнийского университета в Ирвайне, сравнивает структуру MOF с детской площадкой для лазания («джунглями»). По его словам, такие материалы — это «молекулярные губки», твердые вещества, крайне эффективно поглощающие другие молекулы, которые при необходимости можно «отжать» с помощью нагрева.
Микроскопические открытые пространства в этих каркасах обладают невероятной вместимостью. Яги отмечает, что грамм такого материала может иметь внутреннюю поверхность площадью с два футбольных поля. Эти структуры могут хранить водород для чистой энергии, CO2 для очистки воздуха или, как в случае с Atoco, воду. Компания разработала «прецизионные материалы», способные циклически поглощать и высвобождать воду. Как отмечает вице-президент по НИОКР Бенджи Лимкеткай, материал должен «любить» воду, но не слишком сильно, чтобы обеспечить коммерческий успех и минимальные энергозатраты.
Технологический процесс добычи
При прохождении воздуха через специально адаптированный слой MOF молекулы воды прилипают к порам. При этом на ощупь материал остается абсолютно сухим, и механическое сжатие не высвобождает ни капли влаги — для десорбции требуется тепло. В отличие от силикагеля, популярного влагопоглотителя, который удерживает значительно меньше влаги и требует экстремального нагрева для её извлечения, материалы Atoco работают гораздо эффективнее.
Система Atoco функционирует автономно даже при относительной влажности воздуха около 10–20%. Для высвобождения воды каркасам достаточно тепла с температурой около 100 градусов по Фаренгейту (примерно 38 градусов Цельсия). В рамках демонстрации команда компании имитировала работу дата-центра, подавая тепло от источника с температурой около 150 градусов по Фаренгейту. Солнечные панели обеспечивают питание второстепенных систем, но не процесс извлечения воды, поэтому устройство работает практически бесшумно. К 9 утра, когда температура воздуха превысила 90 градусов по Фаренгейту, Самер Таха продемонстрировал результат работы системы, открыв кран, из которого потекла чистая, пригодная для питья вода.
Перспективы технологии Atoco в промышленном секторе
Полученную с помощью металлоорганических каркасных структур (MOF) воду компания Atoco пока не предлагает для употребления по юридическим причинам. Как отмечает Таха, по составу она эквивалентна дистиллированной, однако сами установки не спроектированы для фильтрации загрязнений из воздуха.
В планах компании — использование промышленных отходов. Таха поясняет, что около 70 процентов промышленных теплопотерь относятся к низкопотенциальному теплу, которое просто выбрасывается в атмосферу или океан. Технология Atoco способна превращать это тепло в триллионы литров чистой воды. Крупным источником такого сбросового тепла являются центры обработки данных: один объект может генерировать объем тепла, сопоставимый с десятками тысяч жилых домов. Операторы ЦОД вынуждены отводить тепло во внешнюю среду, создавая локальные зоны перегрева и оплачивая дорогостоящие системы охлаждения, многие из которых сами потребляют миллионы галлонов воды в сутки.
Решение Atoco адресовано сразу двум проблемам ЦОД. Вместо того чтобы тратить средства на избавление от отработанного тепла, компании могут использовать его в установках Atoco. «Мы хотим его получить, оно нам нужно, — говорит Таха. — Взамен мы отдаем воду — тот самый ресурс, из-за нехватки которого возникают проблемы». Дополнительно компания рассматривает возможность поставок воды в сельские районы, где инфраструктура не развита и ресурсы приходится доставлять грузовиками.
Масштабирование и рыночные цели
Для обслуживания крупных ЦОД, требующих миллионы галлонов воды ежедневно, необходим значительный рост мощностей. Текущий прототип на парковке компании производит до 300 литров воды в сутки, используя тепло, эквивалентное мощности ЦОД в 20 кВт. Atoco разрабатывает коммерческую версию устройства, способную производить до 1000 литров в сутки, и предлагает объединять несколько модулей в единую сеть.
На текущий момент компания развернула пять пилотных проектов в США и странах Персидского залива. Начало приема заказов запланировано на конец текущего года. Ведутся переговоры с крупными технологическими корпорациями о внедрении пилотных установок, однако их названия и стоимость оборудования не разглашаются. Интерес к рынку обусловлен тем, что Microsoft, Google и Amazon Web Services поставили цель стать «водно-позитивными» к 2030 году, то есть возвращать в окружающую среду больше воды, чем они потребляют.
Вызовы и экономические показатели
Технология может быть востребована не только в ЦОД, но и на других промышленных объектах, а также в местах с доступными источниками тепла, например, геотермальными. Тем не менее Коэн, ранее работавший в DARPA над проектами по MOF, предупреждает, что такие структуры — не панацея. Без внешнего источника тепла MOF требуют затрат энергии для извлечения воды, что усложняет внедрение в отдаленных районах с дефицитом энергетической инфраструктуры.
Таха оценивает приведенную стоимость производства воды на уровне 5 долларов за метрическую тонну, что конкурентоспособно по сравнению со старыми опреснительными заводами. Однако новые объекты способны достигать стоимости в 2 доллара и менее — этого показателя Atoco планирует достичь через три-пять лет. Еще одной преградой остается нехватка испытаний MOF в промышленном масштабе. Несмотря на то что крупные технологические компании склонны к экспериментам, для доказательства эффективности потребуется время, как и для масштабирования производства коммерческих юнитов.
Тем не менее, успех разработки приближает мир к состоянию, когда каждый человек сможет самостоятельно контролировать доступ к воде. Яги вспоминает свое детство в Иордании, где, будучи палестинским беженцем, он должен был заполнять емкости водой, которую привозили раз в две недели. По его словам, этот опыт заставляет ценить ресурс, и сегодня компания ведет мир от состояния дефицита к изобилию.
Технологические особенности и научный подход
Ключевой аспект инновации заключается в достижении беспрецедентного уровня контроля над молекулярной структурой материалов. Как отмечает Самер Таха, ученые достигли такой степени точности, что способны определять даже углы расположения атомов в заданном материале. Эта «прецизионность» позволяет создавать каркасы, которые не просто поглощают молекулы воды, но удерживают их с ровно такой силой, которая необходима для эффективной адсорбции, не превращая при этом процесс извлечения в энергозатратную задачу. В отличие от традиционных осушителей, материалы Atoco проектируются таким образом, чтобы «нравиться» воде, но не удерживать её избыточно агрессивно.
Сет Коэн, декан факультета физических наук Калифорнийского университета в Ирвайне, подчеркивает, что выбор металлоорганических каркасов (MOF) для решения проблемы водоснабжения не был случайным. Участвуя ранее в проектах DARPA, Коэн отмечал колоссальный потенциал этих соединений, которые благодаря своей пористой структуре, напоминающей детскую площадку для лазания («джунгли»), создают обширные внутренние пространства. Это делает их самыми эффективными «молекулярными губками» из когда-либо созданных в лабораторных условиях.
Важно отметить, что устройство Atoco работает в режиме, который можно назвать «естественной тишиной». Поскольку процесс сбора воды не требует интенсивной работы электрических насосов или сложных компрессорных систем, уровень шума установки минимален. Звуки проезжающих мимо автомобилей в промышленном парке Ирвайна заглушают работу машины, которая в этот момент извлекает воду из воздуха. Отсутствие вибраций и электрического гула является следствием того, что вся энергия, необходимая для цикла, поступает исключительно в виде теплового потока.
Сценарии использования и экономика масштаба
Несмотря на то что концепция работы системы базируется на использовании waste heat (сбросового тепла) дата-центров, компания рассматривает и другие источники энергии. В частности, речь идет о геотермальных электростанциях, где избыточное тепло является побочным продуктом генерации энергии. Такая синергия позволяет создавать устойчивые замкнутые циклы в регионах, где доступ к централизованному водоснабжению затруднен.
Особое внимание уделяется вопросу ответственности и безопасности. Хотя вода на выходе из установки по своим химическим параметрам близка к дистиллированной, компания занимает осторожную позицию. Юридические ограничения не позволяют использовать текущие прототипы в качестве источника питьевой воды для широкой публики, так как основной задачей разработки была демонстрация физических принципов работы MOF, а не создание полноценной системы фильтрации бытовых загрязнений. Тем не менее, для полевых испытаний, которые Atoco проводит совместно с партнерами, эти вопросы являются критическими и прорабатываются для коммерческих версий продукта.
В долгосрочной перспективе амбиции Atoco выходят далеко за пределы обслуживания серверных ферм. Основатель компании Омар Яги, чья научная карьера была вдохновлена необходимостью выживания в условиях жесткого дефицита воды в Иордании, рассматривает технологию как способ демократизации доступа к ресурсам. Его личный опыт, когда в детстве приходилось заполнять емкости для семьи раз в две недели, лег в основу философии компании: переход от борьбы за скудные ресурсы к их повсеместному изобилию.
Тем не менее, эксперты отрасли, включая Коэна, предостерегают от излишнего оптимизма: MOF — это не «серебряная пуля». Даже с учетом высокой эффективности, для работы в экстремально удаленных регионах без инфраструктуры потребуется либо крайне дешевый способ генерации тепла, либо дополнительные энергетические решения, что на текущий момент остается вызовом для дальнейших инженерных изысканий стартапа. Переход от лабораторного прототипа к серийному производству, которое обеспечит «осмысленные объемы» воды, потребует не только времени на проверку долговечности материалов, но и значительных инвестиций в масштабируемость производства самих MOF.
