Когда природа проектирует лучше инженеров: структура рыбы стала моделью нового фильтра для техники

Немецкие учёные создали фильтр для стиральных машин по геометрии жабр рыб

Грязное бельё может оставлять след не только в корзине для стирки, но и в окружающей среде. Каждая загрузка стиральной машины незаметно "смывает" в канализацию крошечные пластики, которые затем путешествуют по всему миру — от городских рек до сельхозполей. Немецкие учёные решили, что с этим можно бороться, если подсмотреть, как с похожей задачей миллионы лет справляются рыбы. Об этом пишет издание popsci. com.

Откуда в стирке берётся микропластик

Микропластиком называют мельчайшие частицы пластика размером менее пяти миллиметров, которые практически не разрушаются в природе и накапливаются в воде, почве и организме живых существ. Значительную долю такого мусора дают синтетические ткани: флис, полиэстер, акрил и другие популярные материалы, из которых шьют спортивную одежду, домашний текстиль и даже детские вещи. При каждой стирке волокна постепенно истираются, и миллионы микроскопических нитей отрываются от ткани.

Исследователи оценивают, что одна стиральная машина в семье из четырёх человек способна производить до 500 граммов микропластика в год только за счёт износа одежды и другого текстиля. Эти частицы "уносятся" вместе со сточными водами в канализацию и попадают на очистные сооружения. Даже если большая часть загрязнений там оседает, образующийся осадок затем часто используется как удобрение, а значит, пластик возвращается на сельскохозяйственные поля.

В результате микропластик оказывается в почве, где его трудно отследить и практически невозможно удалить. Частицы могут впитывать токсичные вещества, переноситься ветром и водой, попадать в корни растений, а затем и в пищевую цепочку. Чем активнее люди пользуются стиральными машинами и синтетической одеждой, тем больше таких невидимых отходов циркулирует вокруг нас.

Сегодня в стиральных машинах уже есть разные фильтрующие элементы, но, по словам учёных, их эффективность далека от идеальной. Одни задерживают лишь крупные волокна, другие быстро забиваются и требуют частой чистки. В итоге значительная часть микропластика всё равно уходит в систему водоотведения.

"Некоторые из них быстро забиваются, другие не обеспечивают достаточной фильтрации", — пояснила биолог Боннского университета и соавтор исследования Леандра Хаманн.

Команда Хаманн решила искать решение не в сложной электронике или новых химических составах, а в уже существующих природных системах, которые миллионы лет фильтруют взвеси и частицы из воды. Логичным объектом внимания стали рыбы.

Как рыбы превращают жабры в эффективный фильтр

Многие морские виды — например, сардины, анчоусы и скумбрия — питаются планктоном и постоянно пропускают через себя огромные объёмы воды. Им нужно задерживать в потоке пищу, но не допускать, чтобы жабры забивались взвешенными частицами. Природа решила эту задачу с помощью особой конструкции жаберных дуг и жаберных "граблей".

Жаберные дуги у таких рыб имеют характерную воронкообразную форму. На них располагаются гребенчатые структуры, покрытые микроскопическими зубчиками — дентикулами. Вместе они образуют своеобразное живое сито. Вода входит через рот, направляется в горло и проходит через эластичную "сетку" из этих структур. Мелкие частицы, которые рыба не собирается есть, уносятся дальше с потоком, а планктон, напротив, задерживается.

"Во время приема пищи вода проходит через проницаемую стенку воронки, фильтруется, и вода без частиц затем возвращается обратно в окружающую среду через жабры", — добавил биолог и соавтор исследования Александр Бланке.

Такая схема называется фильтрацией с перекрёстным потоком: частицы движутся вместе с водой параллельно поверхности фильтра, а не напрямую в него. Это помогает значительно уменьшить риск блокировки. Жаберные дуги ориентированы под углом в сторону горла, и поток как бы "стягивает" частицы в нужное место, где они легко собираются и удаляются при глотании.

Получается, что рыба одновременно и кормится, и очищает свою фильтрующую систему без сложных механизмов или дополнительной энергии. Именно этот элегантный принцип исследователи и решили воспроизвести в бытовой технике.

Рыбьи жабры внутри стиральной машины

Команда из Боннского университета разработала фильтрующий элемент, который геометрически напоминает систему жаберных дуг. В центре конструкции находится блок с "ребрами", образующими воронку. Вода из стиральной машины проходит сквозь него так же, как морская вода через жабры, а микропластик смещается к выходному каналу.

Учёные экспериментировали с разными размерами ячеек, формой и углом наклона "воронки". Важно было найти такие параметры, при которых пластиковые частицы эффективно отделяются, но сам фильтр не зарастает мусором после нескольких стирок. В результате они подобрали комбинацию, которую сравнивают с результатом многолетней эволюционной "подстройки" у рыб.

"Таким образом, мы обнаружили сочетание параметров, позволяющее нашему фильтру отделять более 99 процентов микропластика из воды, но при этом не блокироваться", — отметил Хаманн.

После того, как частицы собраны, система направляет их в отдельную камеру у выхода фильтра. Там микропластик периодически отсасывается — несколько раз в минуту — чтобы не накапливаться в рабочей зоне. Исследователи предполагают, что при небольших изменениях конструкции стиральная машина сможет дополнительно отжимать этот пластик, удаляя лишнюю воду и формируя плотный блок или гранулу.

Такой "кирпичик" из микропластика владелец стиральной машины сможет просто вынуть после нескольких десятков циклов стирки и выбросить в обычные отходы. Пусть это и не делает пластик безвредным, но хотя бы не позволяет ему разлетаться по рекам и полям. При этом корпус фильтра специально спроектирован так, чтобы его можно было время от времени очищать и без труда устанавливать на разные модели бытовой техники.

Авторы разработки подчёркивают, что в системе практически нет сложных механических деталей, а сам фильтрующий элемент прост и недорог в производстве. Патент на технологию уже подан, и исследователи надеются, что производители стиральных машин заинтересуются решением и адаптируют его под свои линейки — от компактных машин для небольших квартир до мощных устройств для больших семей.

Сравнение природной и бытовой фильтрации

Чтобы лучше понять идею немецких специалистов, полезно сравнить работу жабр рыбы и нового фильтра в стиральной машине. В обоих случаях используется схожий принцип воронки и перекрёстного потока, но задачи и условия различаются.

В живой природе система фильтрации должна поддерживать рыбу в безопасности и обеспечивать её пищей. Вода со взвешенными частицами постоянно проходит через жабры, а планктон задерживается и перемещается к горлу. Организм сам "обслуживает" фильтр: рыба глотает скопившиеся частицы и тем самым очищает систему. Здесь важна гибкость тканей, естественная регенерация и способность структуры работать многие годы без внешнего вмешательства.

В стиральной машине фильтр вдохновлён той же геометрией, но работает с другими типами частиц: вместо живого планктона он задерживает микропластик от одежды и домашнего текстиля. Внутри корпуса создаётся воронка, через которую проходит поток сточной воды. Угол наклона и форма элементов подобраны так, чтобы частицы не застревали, а смещались к выходному каналу. По сути, роль "горла" рыбы выполняет специальная камера для сбора отходов.

Ещё одно важное отличие — способ очистки фильтра. В рыбе всё происходит автоматически, а в стиральной машине часть процесса берёт на себя техника и пользователь. Насос помогает периодически отсасывать скопившийся микропластик, а владелец должен время от времени извлекать сформировавшийся блок и выбрасывать его. Тем не менее базовый принцип остаётся общим: частицы не врезаются напрямую в фильтрующую поверхность, а мягко "съезжают" по ней туда, где их проще всего собрать.

Такое сравнение показывает, как идеи из биологии — в данном случае из анатомии рыб — можно перенести в бытовую технику без прямого копирования, адаптируя их под задачи экологии и устойчивого потребления.

Плюсы и минусы фильтра для стиральной машины

Любая новая технология имеет сильные и слабые стороны, и рыбоподобный фильтр для микропластика не исключение. Чтобы оценить его перспективы, удобно рассмотреть ключевые преимущества и возможные ограничения.

К явным плюсам можно отнести высокую эффективность: по данным разработчиков, система способна удалять из воды более 99% микропластиковых частиц, возникающих в процессе стирки. Конструкция не требует сложной механики, поэтому потенциально будет стоить недорого и не увеличит заметно цену стиральной машины. Ещё один плюс — снижение нагрузки на очистные сооружения и уменьшение попадания пластика в почву вместе с удобрениями.

Среди преимуществ также важна простота обслуживания. Пользователь не вынужден разбирать полмашины, чтобы извлечь фильтр: корпус разработан так, чтобы доступ к нему был максимально удобным. Форма воронки и ориентация внутренних элементов уменьшают риск постоянных засоров, то есть фильтр не должен требовать внимания после каждой стирки.

При этом есть и потенциальные минусы.

• Технологию ещё предстоит адаптировать под широкий спектр моделей стиральных машин, от старых до новейших, а это занимает время.
• Пользователь всё равно будет периодически взаимодействовать с накопившимся пластиковым блоком, что потребует новых бытовых привычек.
• Фильтр решает только одну часть проблемы микропластика и не отменяет важности выбора устойчивого текстиля и экологичных моющих средств.

Наконец, важно понимать, что даже самая эффективная система не способна убрать микропластик, который уже находится в океанах, реках и почвах. Но она может существенно сократить будущие выбросы, а значит, в сочетании с другими мерами стать заметным шагом к более чистой среде.

Советы по использованию фильтров от микропластика

Когда подобные фильтры начнут массово появляться в продаже или встраиваться в новые стиральные машины, владельцам бытовой техники пригодятся несколько простых рекомендаций.

Перед покупкой уточняйте у производителя, предусмотрен ли в модели встроенный фильтр для микропластика или понадобится внешний модуль. Это поможет заранее понять, где он будет установлен и как к нему добираться для обслуживания.
При установке следуйте официальным инструкциям и, при необходимости, пользуйтесь услугами сервисного центра. От правильного подключения зависит и эффективность фильтрации, и безопасность всей системы водоотведения.
Регулярно проверяйте состояние фильтра. Даже если конструкция вдохновлена жабрами и меньше склонна к засорам, бытовая пыль, волосы и другие частицы всё равно будут со временем накапливаться.
Извлекайте сформировавшийся пластиковый блок или гранулу строго в соответствии с рекомендациями производителя и выбрасывайте её в общие отходы. Не стоит пытаться перемалывать или промывать этот материал, чтобы он не вернулся в воду.
Параллельно снижайте количество микропластика "на входе": стирайте вещи реже, когда это возможно, выбирайте более устойчивые ткани, используйте щадящие режимы стирки и подходящие моющие средства. Такой комплексный подход значительно усиливает эффект от фильтра.

Даже простое соблюдение этих шагов способно сделать каждую стирку менее вредной для рек, озёр и почв — без жертв в комфорте и привычном образе жизни.