国連によると、22億人が依然として安全に管理された飲料水を利用できていない。つまり、多くの人々が水を求めて何マイルも歩くか、ボトル入りの水に大金を払っているということだ。需要を満たすため、カリフォルニアから中東の一部に至る地域では、海水を淡水に変える脱塩プラントに頼ってきた。しかし、このプロセスは費用がかかり、エネルギーを大量に消費し、大量の濃縮塩水（ブライン）を生成する。この塩水を海に戻すと、塩分濃度を上げ、酸素を奪い、海洋生態系に大混乱をもたらす。まるで、ある問題を解決しながら別の問題を生み出すようなものだ。しかも、より塩辛い形で。
ロチェスター大学の研究者ら（光学・物理学教授のチュンレイ・グオ氏率いる）は、これらの頭痛の種のほとんどを回避する太陽熱脱塩システムを発表した。同誌『Light: Science & Applications』に記載されたこのアプローチは、効率的に真水を生成し、化学的な前処理を必要とせず、そして決定的なことに、塩水廃棄物を一切出さない。代わりに、溶解した塩のほぼすべてを固体の形で回収する。これは、海水を飲みながら飲めるという、科学がこれまでに達成した中で最もそれに近い方法だ。
このシステムは、フェムト秒レーザーで加工された黒色金属製のソーラーパネルに依存している。この処理により、表面は2つのスーパーパワーを得る。入射する太陽光のほぼすべてを吸収し、超吸水性になる（つまり、脱水症状のマラソンランナーと同じくらい水を愛する）。レーザーでパターン化された活性領域が、パネル全体に薄い海水の層を引き寄せる。太陽光が水を蒸発させ、淡水として蒸留される一方、溶解した塩やミネラルは未処理の受動領域に導かれ、通常ならより劣った脱塩技術を詰まらせる蓄積を防ぐ。
グオ氏は、多くの太陽熱脱塩システムは、水と塩化ナトリウムだけで構成された簡略化された海水を使ったラボテストではうまく機能すると指摘する。しかし、実際の海洋にはマグネシウムやカルシウムが含まれており、これらが結晶化すると硬くて密度の高い皮膜を形成する。これは、やかんのミネラルスケールに似ているが、海水の方がはるかに濃度が高い。これに対処するため、チームは黒色金属表面に微細な溝を設計し、塩が蓄積する前に活性領域から移動するように促した。これはコーヒーリング効果を利用したものだ。コーヒーリング効果とは、こぼした後にテーブルに残るあの厄介な茶色い輪っかを残す現象と同じものだ。「コーヒーを表面に落とすと、やがて水が蒸発し、外縁に輪が残ります」とグオ氏は説明する。「私たちは同じ原理を使って、塩を受動領域に進めています」。
太平洋、大西洋、インド洋の水でテストしたところ、表面は継続的に自己洗浄し、真水を抽出しながら塩を受動領域に導き、性能低下なしに回収できた。最大の利点の一つは、回収された固体からEVバッテリーの主要成分であるリチウムなどの貴重なミネラルが得られる可能性があることだ。『Journal of Materials Chemistry A』の関連研究で、グオ氏らは金属の溝にチタン酸水素ナノ粒子を埋め込み、他の塩からリチウムを選択的に分離した。ユタ州のグレートソルト湖の水を使用し、残留塩に含まれるリチウムの約50％を回収した。「地球からリチウムを採掘することは、エネルギーと環境の観点から非常に負担が大きいことが証明されています」とグオ氏は言う。「塩水から直接リチウムを抽出することは、将来非常に重要なルートになる可能性があります」。
この技術はまだ概念実証段階だが、グオ氏は大幅にスケールアップでき、クリーンな飲料水へのアクセスを向上させると同時に、重要なミネラルのより持続可能な供給源を生み出す可能性があると考えている。この研究は、米国国立科学財団、ビル＆メリンダ・ゲイツ財団、世界大学ネットワークから支援を受けた。追加の貢献者には、シニアサイエンティストのスバッシュ・シン氏、卒業生のラン・ウェイ氏（'24）、博士課程学生のルーヘン・タン氏とタイシュー・シュー氏、そして光学研究所のミンジアン・マー氏が含まれる。