Новая био-вдохновлённая интегрированная система для одновременного сбора росы и обеспечения энергией

Преобразование тумана в полезный ресурс

Во многих засушливых регионах люди сталкиваются сразу с двумя проблемами: нехваткой чистой воды и ненадёжного электричества. В этом исследовании рассматривается новое устройство, которое решает обе задачи — извлекает воду из тумана и одновременно превращает падающие капли в малые всплески энергии. Вдохновлённая пустынными растениями и насекомыми, система спроектирована для работы в удалённых, автономных местах, где даже небольшие объёмы воды и электричества могут значительно помочь в выращивании пищи.

Учимся у пустынной природы

Природа уже решила задачу улавливания воды из тонкого воздуха. Жук из пустыни Намиб, колючки кактусов и край кувшинных растений эффективно собирают и направляют крошечные капли. Команда исследователей скопировала ключевые особенности этих организмов, чтобы создать металлическую поверхность с разветвлёнными канавками. Эти канавки аккуратно настроены так, что одни участки притягивают воду, а другие отталкивают её. По мере движения тумана микрокапли оседают, сливаются и перемещаются вдоль этих путей, не застревая, подобно тому, как вода стекает по жилкам листа.

Как работает поверхность для сбора тумана

Сердцем части для сбора воды служит структурированный титановой лист с дентритоподобной биомиметической текстурой. Его получают методом лазерного травления и световой обработки для создания крошечных гребней и плавного градиента смачиваемости в разных зонах. Когда туман достигает этой поверхности, капли сначала образуются на сверхгигроскопичных боковых ветвях, затем стягиваются к основному «стволу» и стекают в точку сбора. Форма канавок, наклон ветвей и постепенное изменение смачиваемости вместе заставляют капли двигаться в одном направлении. Испытания показали, что лучшая конструкция собирала почти десять граммов воды на квадратный сантиметр в час — более чем в четыре раза больше, чем простой титановый лист.

Превращение падающих капель в электричество

Вторым ключевым элементом системы является трибоэлектрический наногенератор на основе капель — устройство, которое превращает движение водяных капель в электрические сигналы. После того как вода из тумана собирается и капает с коллектора, она попадает на наклонную пластину из мягкого резиноподобного материала, смешанного с проводящим соединением MXene. Когда каждая капля попадает и растекается по покрытой пластине, на поверхности перераспределяются электрические заряды, и между скрытыми металлическими слоями проходит крошечный импульс тока. Подбором оптимального размера капель, высоты падения и угла наклона команда увеличила и ток, и напряжение, при этом сохранив поверхность настолько водоотталкивающей, что капли скатываются, а не образуют липкую плёнку.

Использование воды и энергии для растений

Чтобы продемонстрировать, что объединённый сборщик тумана и генератор могут выполнять реальную работу, исследователи собрали небольшую камеру, выложенную двадцатью пятью образцами узорчатого металла. В условиях, имитирующих туман, этот модуль за ночь собрал около 1,6 литра воды на треть квадратного метра площади — достаточно, чтобы покрыть большую часть суточной потребности одного человека в питьевой воде в сухом климате. Сохранённая вода затем стекала по действию силы тяжести через капельную линию на энергогенерирующую пластину и, наконец, в почву с зернами ячменя. Малые всплески энергии использовались для питания небольших ламп, имитирующих подсветку для роста растений, в то время как собранная вода орошала семена. В течение нескольких дней ячмень, орошаемый туманной водой, рос выше и здоровее, чем неорошаемые контрольные образцы.

Новый инструмент для сухих, но влажных мест

Готовая система демонстрирует, что туман может одновременно служить источником воды и мягкой энергии. Специальная поверхность очень эффективно улавливает и направляет капли, а энергогенерирующая пластина надёжно производит низкоуровневое электричество, подходящее для датчиков или небольших светильников. Поскольку подход опирается только на местную влажность и силу тяжести, он хорошо подходит для прибрежных пустынь и других районов, где воздух влажен, но нет жидкой воды и линий электропередачи. Хотя необходимы дополнительные работы по полной очистке воды и долговременной защите металлических частей, этот био-вдохновлённый дизайн предлагает практичный путь к небольшим автономным установкам, поддерживающим сельское хозяйство и бытовые нужды в регионах с дефицитом воды.

Цитирование: Gao, H., Li, L., Hu, Y. et al. A novel bioinspired integrated system for simultaneous fog harvesting and energy supply. Microsyst Nanoeng 12, 174 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01240-1

Ключевые слова: сбор тумана, вода и энергия, био-вдохновлённые поверхности, трибэлектический наногенератор, автономное сельское хозяйство