Нехватка воды становится одним из главных факторов, сдерживающих развитие цивилизации во многих регионах Земли. Суточный расход воды на личные нужды жителя современного благоустроенного города составляет 100-350 л. Рынок пресной воды постоянно возрастает. За последние годы количество пресной воды, получаемой на опреснительных установках, в мире увеличилось с 3 км3 в 1980 г. до 15 км3 в настоящее время. Дополнительная потребность воды для засушливых регионов Земли составляет не менее 1000 км3 в год. Традиционные системы опреснения морской воды требуют значительного количества энергии. В настоящее время основным источником пресной воды являются воды рек, озер, артезианских скважин и опресненная морская вода. Количество воды, находящейся в каждый данный момент в атмосфере, равно 14 тыс. км3, в то время как во всех речных руслах всего 1,2 тыс. км3. Ежегодно с поверхности суши и океана испаряется 577 тыс. км3, столько же потом выпадает в виде осадков. Речной годовой сток составляет лишь 7% общего количества выпадающих осадков. Из сравнения общего количества испаряющейся влаги и количества воды в атмосфере легко видеть, что в течение года она обновляется в атмосфере 45 раз. Таким образом, основной источник пресной воды - вода в атмосфере - оказывается неиспользуемым.

Распределение воды в атмосфере неравномерно. Половина всего водяного пара приходится на нижние слои атмосферы до 1,5 км, и свыше 99% - на тропосферу. У земной поверхности средняя по земному шару абсолютная влажность составляет 11 г/м3, а в тропических регионах эта величина доходит до 25 г/м3 и выше, в то время как в водяных облаках в 1 м3 содержится от 0,1 до 0,3 г воды. Только в кучевых облаках водность больше и изменяется от 0,7 г/м3 в их нижней части до 1,8 г/м3 в верхней, достигая в отдельных случаях 5 г/м3.

Значительное количество стран, расположенных в жарком поясе земного шара, страдают от отсутствия пресной воды, хотя ее содержание в атмосфере значительно. В пустынях Аравийского полуострова и в Сахаре над каждым квадратом со стороной 10 км каждые сутки проносится такое количество воды, которое равно по объему озеру площадью 1 км2 и глубиной 50 м. Использование атмосферной влаги, содержащейся в атмосферном воздухе, минимально воздействует на окружающую среду в отличие от опреснительных установок, использующих морскую воду, так как в последнем случае образуется рассол, который необходимо удалять. Кроме того, возможно создание установок, практически не требующих энергозатрат. Данный ресурс пресной воды постоянно возобновляется, характеристики конденсата, который может быть получен в большинстве районов Земли, очень высокие: в конденсате на два-три порядка меньше токсических металлов по сравнению с требованиями санитарных служб, практически нет микроорганизмов, он хорошо аэрирован. Как показывают экономические исследования, эта вода может быть самой дешевой из всех, которые получают иными способами (не более 10 цент за 1 м3).

Использование естественных процессов позволяет получать огромные количества пресной воды в тропических районах, практически не влияя на окружающую среду. Например, в Нуакшоте (Мавритания) средняя месячная температура воздуха в мае-октябре составляет 27-30 °С, относительная влажность 60-80%. Это означает, что в каждом кубическом метре воздуха содержится 20-24 г воды. При понижении температуры на 10-15 °С из каждого кубического метра можно выделить 10-14 г воды. Если учесть, что суточный перепад температуры может составлять 15-20 °С, то становится понятным, почему в Сахаре обильные росы.

На Земле имеется много районов с выгодными для получения пресной воды из атмосферного воздуха условиями. В Израиле, например, 190-200 ночей характеризуются 100%-ной влажностью. На Ближнем Востоке и в Северной Африке суточные амплитуды температур могут достигать нескольких десятков градусов: Туггурт - 57 °С, Ин-Салах - 66 °С, Тегеран - 48 °С и т. д., что способствует обильному выпадению росы. Для получения значительного количества конденсата необходимо выполнение двух условий: температура должна быть ниже точки росы и наличие центров конденсации. Это следует из формулы В. Томсона (лорда Кельвина) для критического радиуса капли Лк: Rк=2œV1/V2(P-Pn), где œ- коэффициент поверхностного натяжения воды, V1- удельный объем жидкой воды; V2 - удельный объем пара; Рп - давление пара в точке росы, а Р - текущее давление пара. Таким образом, если в пересыщенный пар внести каплю с радиусом больше критического, то рост капли будет приводить к уменьшению термодинамического потенциала и, следовательно, будет происходить конденсация. Если же радиус капли меньше критического, то будет происходить испарение капли, так как при росте капли в этом случае термодинамический потенциал увеличивается. При понижении температуры, которое происходит в Сахаре в ночное время, очень часто пар оказывается в метастабильном состоянии и для появления второй фазы в атмосфере, т. е. для образования капель, необходимы зародыши размером, превышающим критический. Это могут быть либо мелкие капли воды, либо пылинки, либо земная поверхность. Например, чтобы капля размером 0,1 мкм росла при температуре 10 °С, необходимо пересыщение более 200%. Мелкие ядра конденсации живут достаточно долго в атмосфере, но они малы, чтобы происходила конденсация, большие же ядра быстро удаляются в результате стоксова оседания. Поэтому в условиях Ближнего Востока, хотя в ночное время температурные условия во многих случаях бывают выгодными для формирования осадков, отсутствие ядер конденсации в нижней атмосфере не дает возможности каплям достаточно развиться. Поэтому необходимо некоторое воздействие, которое позволяет получать значительное количество пресной воды. При этом затраты оказываются достаточно низкими: стоимость кубометра пресной воды не будет превышать 10 центов.

В настоящее время в основном используют два метода опреснения воды: дистилляцию выпариванием (70% продукции) и фильтрацию через мембраны (30%).

Оба метода достаточно дороги, так как требуют значительного расхода энергии. Использование же естественных процессов позволяет получать огромные количества пресной воды в тропических районах, практически не влияя на окружающую среду. Эти процессы либо вообще не требуют источников энергии, либо требуют расхода энергии в минимальном количестве.

Эксперимент: в качестве источника холода использовали холодную воду из глубинных слоев моря. Количество пресной воды, которую можно получить из влажного воздуха, определяется его температурой и влажностью, температурой конденсатора и объемом продуваемого воздуха. Приведем в качестве примера расчет возможного количества пресной воды и энергозатрат при температуре воздуха 25 °С, влажности 100% и температуре конденсатора 15 °С.

При данных температурах плотность насыщенного пара составляет соответственно 23 г/м3 12,8 г/м3. Из 1 м3 можно извлечь 10,2 г пресной воды. Если воздух продувается через поперечное сечение 1 м2 со скоростью 1 м/с в течение 24 ч, то за сутки получается 800 кг воды. Суммарная кинетическая энергия массы пропущенного через воздуховод воздуха со скоростью 1 м/с составляет порядка 60 кДж. Оценим количество кинетической энергии воды, которую необходимо прокачать для конденсации. При конденсации 800 кг воды выделяется 2112 000 кДж тепла. Пусть температура охлаждающей воды при этом повышается на 1 градус, тогда количество воды, которое необходимо прокачать равно 500 т. Если эта вода прокачивается через сечение, равное 1 дм2, то скорость прокачки воды будет составлять 0,6 м/с. На 1 м3 получаемой воды должно быть израсходовано 40 ккал, или 1 кг у. т. на 100 м3, т. е. примерно на три порядка меньше той величины, которая расходуется, как мы видели выше, в современных опреснителях.

Если водяной пар сконденсировался и находится в воздухе в виде мелких капель, то получение воды сводится к механическому ее извлечению из влажного воздуха. Эксперименты по получению воды данным методом проводились во многих районах мира. Этот способ получения воды реализуется в природных экосистемах: хорошо известно, что лес как бы вычесывает туманы. Даже если нет дождя, но облако проходит в горах через лес, то влага конденсируется на ветках и листьях деревьев и потом капает на землю. В Чили с 1989 по 1991 г. проводился крупномасштабный эксперимент по сбору пресной воды с помощью 50 коллекторов в виде сетей площадью 48 м2 каждый, установленных вертикально. В течение трех засушливых лет установка давала 7200 л/сут. Субсидируемая стоимость доставляемой в данную местность воды составляет 8 долл./м3, а стоимость получаемой воды с учетом затрат на изготовление коллекторов - 1 долл./м3. Получение конденсированной влаги либо на естественных (кусты, деревья), либо на искусственных коллекторах подтверждено экспериментально в 47 местах в 22 странах мира. Например, в Омане два-три месяца в году опытный коллектор позволял снимать до 50 л/м2.