Сонячне опріснення без рідких відходів: що це змінює для водопостачання

За оцінками ООН, приблизно 2,2 мільярда людей на планеті не мають доступу до безпечної питної води. Опріснення морської води розглядають як один зі способів розширити джерела прісної води, але традиційні методи мають суттєві мінуси.

Зворотний осмос вимагає спеціальних мембран, а термічна дистиляція — великих обсягів тепла. До того ж обидві технології утворюють висококонцентрований солоний розчин — розсіл. Якщо його скидати в океан, локальна солоність води зростає, а рівень кисню падає, що погіршує умови для морських організмів.

Розробку очолив Чуньлей Го, професор оптики та фізики Рочестерського університету. Його команда побудувала сонячну термічну систему на основі чорного металу, поверхню якого обробили фемтосекундними лазерами.

Таке оброблення формує на металі мікроскопічні структури, що змінюють його взаємодію зі світлом і водою. Поверхня добре поглинає сонячне випромінювання й допомагає тонкому шару води швидко розтікатися по металу.

Коли система працює, вода випаровується, а розчинені солі та мінерали залишаються на поверхні. Щоб вони не накопичувалися в зоні випаровування, дослідники зробили мікроскопічні канавки: вони спрямовують солі до необроблених ділянок панелі. Це не дає утворитися щільному шару солі, який міг би заблокувати рух води та знизити ефективність.

Механізм спирається на так званий ефект кавового кільця. Коли крапля рідини висихає, розчинені частинки переміщуються до її країв і формують концентроване кільце. За цим самим принципом система скеровує солі до пасивних ділянок панелі.

Технологію перевірили на справжній морській воді, зібраній із Тихого, Атлантичного та Індійського океанів. Панелі давали прісну воду, а солі переміщувалися до пасивної області, де їх можна було зібрати. Накопичення мінералів не знижувало ефективності опріснення.

На відміну від звичних систем, нова технологія не створює концентрованого рідкого розсолу. За результатами експериментів, майже 100% розчинених солей вдається отримати у твердій формі. Це відкриває можливість використовувати частину матеріалу як ресурс, а не як відхід.

Дослідники також перевірили вилучення окремих цінних мінералів. Зокрема, команда Го модифікувала панель, щоб вилучати літій із суміші солей. За словами науковців, отримання літію безпосередньо із солоної води потенційно може стати альтернативою традиційному видобутку, який потребує значних енергетичних ресурсів.

Водночас технологія поки що на стадії доказу концепції: її випробовували на відносно невеликих пристроях. Якщо подальший розвиток буде успішним, систему можна буде застосовувати одночасно для виробництва прісної води та отримання мінералів із морської або солоної води.

Що це означає на практиці. Для родин і громад, які залежать від обмежених джерел води, важливий сам принцип: опріснення може стати менш шкідливим для довкілля. Для студентів і дослідників це приклад того, як лазерні технології та матеріалознавство перетинаються з проблемами водопостачання. Найближчим часом варто стежити за масштабуванням системи: саме від нього залежатиме, чи з'явиться вона у реальних проєктах водопостачання.