وفقًا للأمم المتحدة، لا يزال 2.2 مليار شخص يفتقرون إلى مياه الشرب المُدارة بأمان - مما يعني أن الكثير من الناس إما يمشون أميالاً لرشفة ماء أو يدفعون ثروة مقابل المياه المعبأة. لتلبية الطلب، لجأت مناطق من كاليفورنيا إلى أجزاء من الشرق الأوسط إلى محطات تحلية تحول مياه البحر إلى مياه عذبة، لكن العملية مكلفة، وتستهلك الكثير من الطاقة، وتنتج كميات هائلة من المحلول الملحي المركز الذي، عند إلقائه مرة أخرى في المحيط، يدمر النظم البيئية البحرية عن طريق زيادة الملوحة وامتصاص الأكسجين. إنه مثل حل مشكلة مع خلق أخرى، فقط أكثر ملوحة.
كشف باحثون في جامعة روتشستر، بقيادة أستاذ البصريات والفيزياء تشونلي غو، عن نظام تحلية يعمل بالطاقة الشمسية يتجنب معظم تلك المشاكل. نهجهم، الموصوف في مجلة Light: Science & Applications، ينتج مياهًا عذبة بكفاءة، ولا يتطلب معالجة كيميائية مسبقة، والأهم من ذلك - لا ينتج نفايات محلول ملحي. بدلاً من ذلك، يستعيد جميع الأملاح المذابة تقريبًا في شكل صلب، وهو أقرب ما يكون إلى امتلاك ماء البحر وشربه أيضًا كما وصل العلم.
يعتمد النظام على ألواح شمسية مصنوعة من معدن أسود محفور بالليزر الفيمتوثاني. يمنح هذا العلاج السطح قوتين خارقتين: فهو يمتص كل ضوء الشمس الوارد تقريبًا ويصبح فائق الامتصاص - مما يعني أنه يحب الماء تقريبًا مثل عداء ماراثون مصاب بالجفاف. تسحب منطقة نشطة محفورة بالليزر طبقة رقيقة من مياه البحر عبر اللوحة. تبخر أشعة الشمس الماء، الذي يُقطر إلى ماء عذب، بينما تُوجه الأملاح والمعادن الذائبة بعيدًا إلى مناطق سلبية غير معالجة، مما يمنع التراكم الذي عادةً ما يسد تقنيات التحلية الأقل شأنًا.
يلاحظ غو أن العديد من أنظمة التحلية الحرارية الشمسية تعمل بشكل جيد في الاختبارات المعملية بمياه بحر مبسطة مكونة من الماء وكلوريد الصوديوم فقط. لكن المحيطات الحقيقية تحتوي على المغنيسيوم والكالسيوم، اللذين يشكلان قشورًا صلبة كثيفة عندما يتبلوران - على غرار القشور المعدنية في إبريق الشاي، إلا أن مياه البحر أكثر تركيزًا. لمعالجة هذا، صمم الفريق أخاديد مجهرية على سطح المعدن الأسود تشجع الأملاح على الهجرة بعيدًا عن المنطقة النشطة قبل أن تتراكم، مستفيدين من تأثير حلقة القهوة - نفس الظاهرة التي تترك تلك الحلقة البنية المزعجة على طاولتك بعد انسكاب القهوة. "إذا أسقطت قهوة على سطح، في النهاية يتبخر الماء وتترك حلقة عند الحافة الخارجية،" يشرح غو. "نستخدم نفس المبدأ لدفع الأملاح إلى المنطقة السلبية."
عند اختباره بمياه من المحيط الهادئ والأطلسي والهندي، نظف السطح نفسه باستمرار، مستخرجًا الماء العذب بينما وجه الأملاح إلى مناطق سلبية حيث يمكن جمعها دون فقدان الأداء. من أكبر المزايا: المواد الصلبة المستردة يمكن أن تنتج معادن قيمة مثل الليثيوم، وهو مكون رئيسي في بطاريات السيارات الكهربائية. في دراسة ذات صلة في Journal of Materials Chemistry A، قام غو وزملاؤه بدمج جسيمات نانوية من تيتانات الهيدروجين في أخاديد المعدن لعزل الليثيوم بشكل انتقائي عن الأملاح الأخرى. باستخدام مياه من البحيرة المالحة الكبرى في ولاية يوتا، استعادوا حوالي 50 بالمائة من الليثيوم الموجود في الأملاح المتبقية. "لقد ثبت أن تعدين الليثيوم من الأرض مرهق جدًا من وجهة نظر الطاقة والبيئة،" يقول غو، "لذا فإن استخراج الليثيوم مباشرة من المياه المالحة يمكن أن يكون طريقًا مهمًا جدًا في المستقبل."
التكنولوجيا لا تزال دليلاً على المفهوم، لكن غو يعتقد أنها يمكن أن تتوسع بشكل كبير، مما قد يعزز الوصول إلى مياه الشرب النظيفة مع خلق مصادر أكثر استدامة للمعادن الحيوية. تم دعم البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية، ومؤسسة بيل وميليندا غيتس، وشبكة الجامعات العالمية. وشمل المساهمون الإضافيون كبير العلماء سوباش سينغ، والخريج ران وي '24، وطالبا الدكتوراه لوهينغ تانغ وتاينشو شو، ومينغجيانغ ما من معهد البصريات.