حول العالم، لا يزال مليارات البشر يفتقرون إلى وصول موثوق لمياه الشرب الآمنة. وتقدّر الأمم المتحدة أن 2.2 مليار شخص لا يحصلون على مياه شرب مُدارة بأمان، بينما تعتمد مناطق من كاليفورنيا إلى الشرق الأوسط بشكل متزايد على محطات تحلية المياه لتحويل مياه المحيط إلى مياه عذبة. إذن، كما ترى، لا ضغط على الإطلاق.

يمكن للتحلية أن توفر إمدادات مياه حيوية، لكن الطرق الأكثر شيوعاً اليوم تأتي مع عيوب كبيرة. فالتحلية بالتناضح العكسي تدفع المياه عبر أغشية متخصصة لإزالة الملح، بينما تستخدم التقطير الحراري الحرارة لفصل المياه العذبة عن مياه البحر. وكلتا الطريقتين قد تستهلكان كميات هائلة من الطاقة، وغالباً ما تتطلبان معالجة للمياه قبل العملية وبعدها، وتنتجان نفايات مالحة عالية التركيز تُعرف بالمحلول الملحي. وعندما يُصرف ذلك المحلول الملحي عائداً إلى المحيط، يمكن أن يرفع الملوحة المحلية ويخفض مستويات الأكسجين، ما يخلق ظروفاً ضارة للكائنات البحرية. باختصار: نحصل على مياه الشرب، بينما تحصل الأسماك على بيئة عمل عدائية.

طوّر باحثون في جامعة روتشستر نهجاً مختلفاً قد يساعد في معالجة عدة مشكلات من هذه المشكلات دفعة واحدة. فقد أنشأ علماء في معهد البصريات بجامعة روتشستر نظام تحلية شمسية حرارية مصمماً لإنتاج مياه عذبة بكفاءة دون توليد محلول ملحي سائل أو الحاجة إلى إضافات كيميائية لمعالجة المياه الداخلة مسبقاً. وتُوصف الطريقة في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Light: Science & Applications. وقاد البحث تشونلي غو، أستاذ البصريات والفيزياء وكبير العلماء في مختبر الطاقة الليزرية بجامعة روتشستر.

في قلب التقنية توجد ألواح شمسية مصنوعة من معدن أسود عُولج بليزرات الفيمتوثانية. والفيمتوثانية وحدة زمنية قصيرة للغاية، تساوي واحداً على كوادريليون من الثانية. ويمكن لنبضات هذه الليزرات فائقة السرعة أن تعدّل سطح المادة بدقة، مما يخلق بنى مجهرية تغيّر بشكل جذري طريقة تفاعلها مع الضوء والماء. ويجعل المعالجة بالليزر المعدن فعالاً للغاية في امتصاص ضوء الشمس، كما يمنحه خصائص فائقة الامتصاص الشعري، أي أن الماء ينتشر بسرعة عبر السطح بدلاً من أن يتجمع في قطرات.

يحتوي كل لوح على منطقة نشطة معالجة بالليزر تسحب طبقة رقيقة جداً من مياه البحر عبر سطحها. ويمتص المعدن الداكن تقريباً كل الإشعاع الشمسي الساقط، فيسخّن الماء ويجعله يتبخر. ويترك ذلك التبخر الأملاح والمعادن الذائبة الأخرى خلفه. وبدلاً من السماح لهذه المواد بالتراكم في المكان الذي يحدث فيه التبخر، يوجّهها اللوح نحو مناطق غير معالجة على جانبيه، تُعرف بالمنطقة السلبية. وهذه الحركة مهمة لأن تراكم الملح أحد أكبر التحديات التي تواجه أنظمة التحلية الشمسية. فإذا شكّلت المعادن طبقة صلبة عبر السطح النشط، فقد تعيق حركة الماء وتوقف النظام في النهاية عن العمل.

يقول غو إن أنظمة التحلية الشمسية الحرارية السابقة كثيراً ما أدت أداءً جيداً في تجارب المختبر باستخدام مياه بحر اصطناعية مبسطة مصنوعة من الماء وكلوريد الصوديوم. وعندما يتبلور كلوريد الصوديوم مع تبخر الماء، يميل إلى تشكيل بنية حبيبية ومسامية نسبياً. ويمكن للماء أن يستمر في التحرك عبر تلك البلورات، مما يساعد على إذابة الملح المتراكم ويجعل تنظيف السطح أسهل. لكن مياه البحر الحقيقية وحش مختلف. فإضافة إلى كلوريد الصوديوم، تحتوي على المغنيسيوم والكالسيوم والعديد من المواد الذائبة الأخرى. وبعض تلك المركبات يمكن أن تتبلور إلى رواسب صلبة كثيفة أقل مسامية بكثير. وهو مشابه للقشور المعدنية التي تتراكم تدريجياً داخل رأس الدش أو إبريق الشاي. لكن في نظام تحلية المياه، يكون التحدي أكبر بكثير لأن مياه البحر تحتوي على أملاح ذائبة أكثر بمئات المرات من مياه الصنبور العادية. ومع تراكم تلك الرواسب، لم يعد الماء قادراً على التدفق بحرية عبر السطح، ما يقلل الكفاءة ويسد النظام في النهاية.

للتغلب على تلك المشكلة، صمم فريق غو بعناية بنى مجهرية