Исследователи Рочестерского университета разработали солнечную систему опреснения, которая превращает морскую воду в пресную без жидкого рассола и химической предварительной обработки. Устройство использует панели из чёрного металла, обработанного фемтосекундным лазером. Результаты работы опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
Проблема доступа к безопасной питьевой воде сохраняется для миллиардов людей: по оценке ООН, 2,2 млрд человек не имеют надёжно организованного водоснабжения. Опреснительные установки уже применяются в регионах от Калифорнии до Ближнего Востока, однако традиционные методы требуют много энергии и дают концентрированный солёный отход. При сбросе такого рассола в море повышается местная солёность и снижается содержание кислорода, что создаёт неблагоприятные условия для морских организмов.
Над новой технологией работали специалисты Института оптики Рочестерского университета под руководством профессора оптики и физики, старшего научного сотрудника Лаборатории лазерной энергетики Чунлея Го. Лазерные импульсы длительностью в одну квадриллионную долю секунды формируют на металле микроскопический рельеф. Благодаря этому поверхность почти полностью поглощает солнечный свет и обладает сверхсмачиваемостью: вода быстро растекается по ней тонким слоем, а не собирается каплями.
Панель разделена на активную и пассивную зоны. В активной области солнечное излучение нагревает тонкий слой морской воды и вызывает испарение, тогда как соли и минералы перемещаются к боковым участкам. Для управления этим процессом учёные создали на металле микроскопические канавки и использовали так называемый эффект кофейного кольца, при котором частицы при высыхании жидкости перемещаются к краям капли.
«Если капнуть кофе на поверхность, вода со временем испарится, а по внешнему краю останется кольцо из концентрированных частиц кофе, — говорит Го. — Мы используем тот же принцип, чтобы перемещать соли в пассивную область». Испытания с настоящей морской водой из Тихого, Атлантического и Индийского океанов показали, что панель очищает себя во время работы, направляя соли к краям, и при этом не теряет эффективности. Это важно, поскольку реальная морская вода содержит магний, кальций и другие вещества, способные образовывать плотные отложения, которые быстро забивают обычные солнечные опреснители.
Система извлекает почти 100% растворённых солей в твёрдом виде, поэтому их можно собирать вместо сброса жидкого рассола. В связанной работе, опубликованной в Journal of Materials Chemistry A, команда показала, что добавление в канавки наночастиц титаната водорода позволяет отделять литий от остальных минералов. Из образцов Большого Солёного озера исследователи извлекли около 50% содержащегося в солевом остатке лития; по словам Го, такой подход может стать менее энергозатратной и экологичной альтернативой добыче лития из земных пород. Пока технология проверена лишь на небольших установках, однако, как отмечает ScienceDaily, её конструкция допускает масштабирование. Работу поддержали Национальный научный фонд США, фонд Билла и Мелинды Гейтс и Всемирная сеть университетов.