전 세계 수십억 명의 사람들이 여전히 안전한 식수에 안정적으로 접근하지 못하고 있다. 유엔은 22억 명이 안전하게 관리되는 식수를 갖지 못한다고 추정하며, 캘리포니아에서 중동에 이르는 지역들은 점점 더 해수 담수화 플랜트에 의존해 바닷물을 민물로 바꾸고 있다. 그러니까, 뭐, 부담 갖지 말자.

담수화는 중요한 물 공급원이 될 수 있지만, 오늘날 가장 흔한 방법들은 상당한 단점을 안고 있다. 역삼투압은 특수 멤브레인을 통해 물을 밀어 넣어 염분을 제거하고, 열 증류는 열을 사용해 바닷물에서 민물을 분리한다. 두 방식 모두 막대한 에너지를 소비할 수 있고, 종종 공정 전후로 수처리가 필요하며, 염수(brine)라고 알려진 고농도 염분 폐기물을 생성한다. 이 염수가 바다로 다시 방류되면 국지적 염분이 높아지고 산소 수치가 낮아져 해양 생물에게 해로운 환경을 만든다. 요컨대, 우리는 식수를 얻고, 물고기는 적대적인 직장을 얻는 셈이다.

로체스터 대학의 연구진은 이러한 문제 여러 가지를 한 번에 해결할 수 있는 다른 접근법을 개발했다. 로체스터 대학 광학 연구소의 과학자들은 액체 염수를 생성하지 않고, 유입수를 전처리하기 위한 화학 첨가물도 필요로 하지 않으면서 효율적으로 민물을 생산하도록 설계된 태양열 담수화 시스템을 만들었다. 이 방법은 《Light: Science & Applications》에 발표된 논문에 설명되어 있다. 연구는 광학 및 물리학 교수이자 로체스터 대학 레이저 에너지 연구소의 선임 과학자인 궈춘레이(Chunlei Guo)가 주도했다.

이 기술의 핵심은 펨토초 레이저로 처리된 검은 금속으로 만든 태양열 패널이다. 펨토초는 1초의 1000조 분의 1에 해당하는 극도로 짧은 시간 단위다. 이 초고속 레이저의 펄스는 재료 표면을 정밀하게 변화시켜, 빛과 물과 상호작용하는 방식을 극적으로 바꾸는 미세 구조를 만든다. 레이저 처리는 금속이 햇빛을 흡수하는 능력을 매우 효과적으로 만들어 주고, 또한 초윅킹(superwicking) 특성을 부여해 물이 방울방울 맺히는 대신 표면 전체로 빠르게 퍼지게 한다.

각 패널에는 레이저 처리된 활성 영역이 있어 바닷물의 아주 얇은 층을 표면 전체로 끌어당긴다. 어두운 금속은 들어오는 태양 복사 에너지를 거의 모두 흡수해 물을 가열하고 증발시킨다. 이 증발은 염분과 기타 용해된 미네랄을 남긴다. 패널은 이러한 물질이 증발이 일어나는 곳에 축적되도록 내버려 두는 대신, 측면을 따라 있는 처리되지 않은 영역, 즉 수동 영역(passive region)으로 이동시킨다. 이 움직임은 염분 축적이 태양열 담수화 시스템이 직면한 가장 큰 과제 중 하나이기 때문에 중요하다. 미네랄이 활성 표면 전체에 단단한 층을 형성하면 물의 이동을 막고 결국 시스템 작동을 멈출 수 있다.

궈 교수는 이전의 태양열 담수화 시스템들이 물과 염화나트륨으로 만든 단순화된 인공 바닷물을 사용한 실험실 실험에서 종종 좋은 성능을 보였다고 말한다. 염화나트륨은 물이 증발할 때 결정화되면서 비교적 알갱이가 있고 다공성인 구조를 형성하는 경향이 있다. 물은 그 결정들을 통해 계속 이동할 수 있어 축적된 염분을 용해하는 데 도움을 주고 표면을 더 쉽게 청소할 수 있게 한다. 하지만 실제 바닷물은 전혀 다른 야수다. 염화나트륨 외에도 마그네슘, 칼슘, 그리고 많은 다른 용해 물질을 포함하고 있다. 그중 일부 화합물은 훨씬 덜 다공성인 단단하고 치밀한 침전물로 결정화될 수 있다. 샤워 헤드나 주전자 안에 서서히 쌓이는 미네랄 스케일과 비슷하다. 그러나 담수화 시스템에서는 바닷물이 일반 수돗물보다 수백 배 더 많은 용해 염분을 포함하고 있기 때문에 문제가 훨씬 더 크다. 이러한 침전물이 축적되면 물이 더 이상 표면을 자유롭게 흐를 수 없어 효율이 떨어지고 결국 시스템이 막힌다.

그 문제를 극복하기 위해 궈의 팀은 미세 구조를 신중하게 설계했다.