«Не думал я, что мы в вечном плену у источников... мы на привязи у колодцев, мы привязаны, точно пуповиной, к чреву земли. Сделаешь лишний шаг — и умираешь», — писал Антуан де Сент-Экзюпери, после того как едва не умер от жажды, когда его самолет потерпел катастрофу в Сахаре.
В справедливости слов Экзюпери сомневаться не приходится: примерно за 2,5 тысячи лет до него в тех же местах бесследно исчезло 50-тысячное войско персидского царя Камбиза II, которое как раз сделало «лишний шаг» от источников, пытаясь дойти до оазиса Сивы. Северную Африку невозможно представить без Сахары, где смерть от обезвоживания — обычное дело. Человек испытывает жажду уже тогда, когда теряет 0,3 литра жидкости, потеря же 3-5 литров приводит к обезвоживанию организма. В этом случае мозг начинает отбирать воду из крови, она густеет, и сердцу становится труднее прокачивать ее по сосудам. Возникает слабость, нарушается работа нервной системы, появляются галлюцинации. Потеряв 12% жидкости, человек умирает.
Впрочем, проблема отсутствия воды затрагивает не только тех, кто оказался в пустыне. Считается, что около 240 миллионов жителей Африки (а это немногим меньше трети населения континента) существуют в условиях, где из-за недостатка водных ресурсов поддерживать нормальную жизнедеятельность просто невозможно, хотя африканцы как-то умудряются это делать. Но вполне вероятно, что в будущем ситуацию удастся хоть немного исправить, — по крайней мере, сегодня гидрогеологи утверждают, что на самом деле воды в Африке довольно много.
АРТЕЗИАНСКОЕ РЕШЕНИЕ
Всерьез исследовать подземные воды Африки ученые начали еще в середине прошлого века. На этом поприще особенно известен немецкий гидрогеолог Мартин Квингер, пять лет работавший в Намибии. Его выводы ошеломили научное сообщество: в этой стране, где львиная доля территории занята пустынями и полупустынями, общие запасы подземных вод составляют порядка 5 миллиардов кубометров. Разумеется, Квингер был не одинок в своей деятельности, но, как ни странно, до последнего времени никто не удосужился обобщить собранный учеными материал. И лишь в прошлом году группа Алана Макдоналда из Британской геологической службы опубликовала карту подземных вод Африки, в основу которой легли отчеты почти 300 гидрогеологических служб. Согласно этой карте, общий объем подземной воды Черного континента составляет 660 тысяч кубических километров, а это в 20 раз больше всей пресной воды, содержащейся в африканских водоемах и выпадающей ежегодно в виде осадков на всем материке. Наибольшие запасы находятся в недрах Ливии, Алжира и Чада — здесь воды хватило бы на то, чтобы покрыть территорию этих стран 75-метровым слоем.
Правда, добыть эту воду не так-то просто. В странах Африканского Рога она залегает на глубинах до 250 метров; в Намибии — до 300 метров, а в ряде мест Сахары и вовсе до 800 метров. Соответственно, для добычи воды необходимы немалые капиталовложения и энергоресурсы, причем не только для бурения, но и для использования скважин: поднимать воду с таких глубин можно только с помощью дорогостоящих насосов. Кроме того, вода нередко содержится в узких пространствах между слабопористыми породами — из таких мест она закачивается крайне медленно, и ее добыча может оказаться просто нерентабельной. Именно так обстоит дело на юге Алжира, где удается поднять на поверхность не более 0,1 литра воды в секунду.
Наконец, возникает вопрос, в каких количествах эту воду можно добывать. Подземные озера Сахары образовались более 10 тысяч лет назад, когда на месте пустыни существовала буйная растительность. Сегодня же здесь выпадает менее 300 миллиметров осадков в год, и совершенно очевидно, что подземные запасы воды в Сахаре — в основном невосполняемые. Но об этом мало кто задумывается. Четверть века назад в ливийских регионах Мурзук и Куфра были пробурены скважины глубиной до 800 метров, и воду из них направили на орошение полей на приморских территориях страны. По трубам диаметром 4 метра оросительная система, названная «Великой рукотворной рекой», выкачивает из-под земли 2,5 миллиарда кубометров воды ежегодно, и нет никаких сомнений, что при сохранении таких темпов добычи водные запасы оскудеют к концу века. А подземные воды города Сана, столицы Йемена, могут исчерпаться уже к 2025 году.
Еще более продуманно нужно подходить к добыче воды около моря. Пресная подземная вода служит своего рода барьером, не дающим морской воде проникнуть в недра континента. Соответственно, при активной выкачке в образовавшиеся под землей пустоты начинает поступать морская вода, которая подмешивается к пресной, делая ее непригодной. Избавиться же от попавшей в водоносный слой соли уже невозможно.
ВЫХОД В ОПРЕСНЕНИИ?
Впрочем, соленую воду можно опреснить. Наименее сложный метод опреснения — химический: в соленую воду вводят реагенты, образующие с ионами натрия и хлора нерастворимые соединения. Правда, расход таких реагентов велик — порядка 3-5% от количества воды. В качестве реагентов выступают соли серебра и бария, так что подобный способ дорог, а барий к тому же еще и токсичен.
В 2005 году шестеро кубинцев приплыли на лодке к берегам Флориды, преодолев 180 километров, отделяющие Кубу от Америки, за 11 дней. Выжили они только потому, что морскую воду опресняли с помощью специальных таблеток, которые обессоливали ее химическим способом. Кстати говоря, небезызвестный Ален Бомбар, утверждавший, что потерпевшие кораблекрушение гибнут не от голода и жажды, а от страха, смог пересечь Атлантический океан, добывая влагу из «природных опреснителей» — пойманных рыб. Однако этот эксперимент доказал, что сок из рыб может заменить питьевую воду лишь отчасти: к концу своего путешествия Бомбар находился в крайне тяжелом состоянии, он похудел на 25 килограммов, а его здоровье оказалось навсегда подорванным.
Достаточно дорогостоящ и метод опреснения воды с помощью ионного обмена. Этот способ рентабелен, если концентрация соли в воде не превышает 1,5-2 граммов на литр. (В литре обычной морской воды содержится около 35 граммов соли, пригодной же для питья считается вода, в литре которой менее 1 грамма соли.) А вот электродиализ давно применяют для обессоливания воды в тепловых установках или для извлечения ценных примесей из растворов. Принцип электродиализа довольно прост: емкость с водой разделена ионопроницаемыми мембранами, и при подаче напряжения ионы солей выходят из раствора через эти мембраны.
Еще один распространенный способ — дистилляция. В «классическом» виде применять ее для опреснения морской воды слишком накладно: процесс этот очень энергоемкий. Ведь мало того, что образование пара требует затрат энергии, приходится еще и прогонять полученный пар через холодильник, чтобы содержащаяся в нем влага сконденсировалась. Пример наиболее очевидного удешевления дистилляции — единственная в своем роде опреснительная установка, запущенная в 1968 году в городе Шевченко (ныне Актау) в Казахстане, работавшая в паре с атомной электростанцией, которая и поставляла необходимую энергию, как тепловую, так и электрическую. Впрочем, количество необходимой теплоты можно значительно сократить, если выпаривать воду при пониженном давлении. Правда, вакуумные насосы тоже работают не сами по себе, поэтому метод вакуумной дистилляции используют в основном в богатых нефтью странах Ближнего Востока.
Те же, кому не так повезло с природными ресурсами, придумывают свои, подчас очень интересные решения. Одно из таких — проект «Лес Сахары», разработанный британцами. Суть метода такова: морская вода распыляется перед входом в своеобразную теплицу, и образовавшиеся пары воды направляются вентиляторами ко второму такому же распылителю. Далее полностью насыщенный парами воды воздух проходит через конденсатор, охлаждаемый морской водой, взятой из глубины. Авторы проекта утверждают, что на производство кубометра воды их установка будет расходовать порядка 3 киловатт-часов электроэнергии, которую к тому же можно частично получать с помощью солнечных батарей.
Метод дистилляции используют и для «индивидуального» применения — для терпящих бедствие в океане. Компания Dunlop предложила дистиллятор в виде прозрачного шара с теплоизолированной чашей внутри, в которую наливается вода. Шар опускается в море, благодаря чему между нижней и верхней его частями образуется разница температур. Вода из чаши испаряется, конденсируется на внутренней поверхности шара и стекает в водосборник, расположенный снизу.
ХОРОШО, НО ДОРОГО
Основное же количество опресненной воды (около 60%) получают методом обратного осмоса. Если емкость разделить полупроницаемой мембраной, пропускающей молекулы воды, но задерживающей молекулы соли, и налить в одну часть емкости соляной раствор, а в другую — чистую воду, то в результате броуновского движения молекулы воды из обеих частей будут свободно проходить через мембрану. Но со стороны чистой воды число прошедших сквозь мембрану молекул окажется больше — просто потому, что больше их самих, ведь в растворе часть объема занимает соль. В результате концентрация соляного раствора понизится. Такой процесс называется осмосом. Соответственно, обратный осмос — это переход молекул воды из раствора с высокой концентрацией соли в раствор, где содержание соли ниже. Чтобы заставить молекулы двигаться «в другую сторону», концентрированный раствор приходится подвергать высоким давлениям — в случае опреснения морской воды давление может достигать 70 атмосфер.
По сравнению с другими методами стоимость опреснения обратным осмосом относительно невелика, а сами установки компактны и производительны. Главная сложность здесь — технологическая, так как для функционирования системы необходимы мембраны, выдерживающие столь высокие давления. Впрочем, совсем недавно появилось сообщение, что компания Lockheed Martin работает над созданием мембраны из графена. Разработчики уверяют, что с такой мембраной давление на установках с обратным осмосом можно будет понизить чуть ли не в 100 раз. Так это или нет — покажет время, пока же «традиционный» обратный осмос использует крупнейшая в этой отрасли французская компания Suez Environnement, построившая самый большой в мире завод по опреснению в штате Виктория в Австралии. На технологию обратного осмоса переходит и второй опреснительный гигант, французская же Veolia Eau, установившая опреснители в ОАЭ, Испании и Израиле. Кстати говоря, мировое производство пресной воды в 2009 году составило 59,9 миллиона кубометров в сутки, через год объем был доведен до 68 миллионов кубометров, а к 2020 году производство может достичь 120 миллионов кубометров в день. А по прогнозу Германского аэрокосмического центра (DLR), в 2030 году стоимость кубометра опресненной воды снизится до 40 евроцентов. Поверить в это тоже непросто, особенно если сравнить эту цифру с суммой, которую мы сегодня платим коммунальщикам за обычную воду из-под крана.
КОСМИЧЕСКОЕ ОПРЕСНЕНИЕ
Рассказывая об опреснении, нельзя не коснуться того, как получают воду космонавты, тем более что доставка на орбиту одного килограмма груза обходится никак не меньше чем в 5000 долларов. Сразу заметим, что питьевую воду все-таки приходится привозить с Земли грузовыми рейсами. Но для жизни на корабле необходима еще и техническая вода, которую получают непосредственно на месте. Еще в 1975 году на космической станции «Салют-4» была задействована система, конденсирующая воду из содержащейся в воздухе влаги. Причем космонавты пили эту воду и использовали ее для приготовления пищи. А на орбитальной станции «Мир» цикл регенерации воды удалось сделать еще более замкнутым — даже из мочи извлекалось 85% воды, что значительно сложнее: мало того, что в моче содержится трудноотделимый от воды аммиак, в условиях невесомости сам дистиллятор приходится вращать для создания искусственной гравитации, чтобы отделить пар. Полученная вода была вполне пригодна для питья, однако использовали ее для производства кислорода, расщепляя ее молекулы электролизом. Невостребованный водород, равно как и углекислый газ, выбрасывались наружу.
Два года назад на МКС была опробована новая установка, работавшая на основе реакции Сабатье. В присутствии никелевого катализатора, при высоких температуре и давлении «лишние» водород и углекислый газ вступали в реакцию, образуя воду и метан. И если бы не этот метан, цикл обращения кислорода, воды и углекислого газа можно было бы считать полностью замкнутым. Правда, это все равно не позволило бы космонавтам принимать полноценный душ: на МКС расчетная величина расхода воды на одного человека составляет 4,2 литра в сутки, что едва ли не на порядок меньше, чем потребляет средний житель Земли. Но тут уж никакими опреснителями не поможешь.
Таким образом, проблема нехватки пресной воды, кажущаяся нам, обитателям умеренного климатического пояса, далекой, для значительной части населения Земли весьма актуальна. И уже вроде бы найдены пути ее решения — есть и научные, и технологические разработки. Вот только все они либо паллиативные, либо совершенно разорительны экономически. Однако наука и техника не стоят на месте, и есть все основания ожидать, что в ближайшем веке проблема жажды будет окончательно решена.
(с) Василий Радлов