Volgens de Verenigde Naties hebben 2,2 miljard mensen nog steeds geen toegang tot veilig drinkwater - wat betekent dat veel mensen kilometers moeten lopen voor een slok of diep in de buidel tasten voor flessenwater. Om aan de vraag te voldoen, hebben regio's van Californië tot delen van het Midden-Oosten hun toevlucht genomen tot ontziltingsinstallaties die zeewater in zoet water omzetten, maar het proces is duur, energie-intensief en genereert enorme hoeveelheden geconcentreerd zout pekel dat, wanneer het terug in de oceaan wordt gestort, een ravage aanricht in mariene ecosystemen door het zoutgehalte te verhogen en zuurstof weg te zuigen. Het is alsof je één probleem oplost terwijl je een ander creëert, alleen zouter.
Onderzoekers van de Universiteit van Rochester, onder leiding van optica- en natuurkundeprofessor Chunlei Guo, hebben een zonne-energie aangedreven ontziltingssysteem onthuld dat de meeste van die hoofdpijnen omzeilt. Hun aanpak, beschreven in het tijdschrift Light: Science & Applications, produceert efficiënt zoet water, vereist geen chemische voorbehandeling en - cruciaal - genereert geen pekelafval. In plaats daarvan herstelt het bijna alle opgeloste zouten in vaste vorm, wat ongeveer zo dicht bij het hebben van je zeewater en het ook drinken is als de wetenschap is gekomen.
Het systeem vertrouwt op zonnepanelen gemaakt van zwart metaal dat is gestructureerd met femtosecondelasers. Deze behandeling geeft het oppervlak twee superkrachten: het absorbeert bijna al het binnenkomende zonlicht en wordt superabsorberend - wat betekent dat het bijna net zoveel van water houdt als een uitgedroogde marathonloper. Een laser-gepatroneerd actief gebied trekt een dunne laag zeewater over het paneel. Zonlicht verdampt het water, dat wordt gedestilleerd tot zoet water, terwijl opgeloste zouten en mineralen worden weggeleid naar onbehandelde passieve gebieden, waardoor de ophoping wordt voorkomen die normaal gesproken mindere ontziltingstechnologie verstopt.
Guo merkt op dat veel thermische zonne-ontziltingssystemen goed werken in laboratoriumtests met vereenvoudigd zeewater dat alleen uit water en natriumchloride bestaat. Maar echte oceanen bevatten magnesium en calcium, die harde, dichte korsten vormen wanneer ze kristalliseren - vergelijkbaar met kalkaanslag in een waterkoker, behalve dat zeewater veel geconcentreerder is. Om dit aan te pakken, ontwierp het team microscopische groeven op het zwarte metaaloppervlak die zouten aanmoedigen om weg te migreren van de actieve zone voordat ze zich kunnen ophopen, gebruikmakend van het koffieringeffect - hetzelfde fenomeen dat die vervelende bruine ring op je tafel achterlaat na een mors. "Als je koffie op een oppervlak morst, verdampt het water uiteindelijk en blijft er een ring achter aan de buitenrand," legt Guo uit. "We gebruiken hetzelfde principe om de zouten naar het passieve gebied te verplaatsen."
Bij tests met water uit de Stille, Atlantische en Indische Oceaan reinigde het oppervlak zichzelf continu, waarbij zoet water werd gewonnen terwijl zouten naar passieve gebieden werden geleid waar ze konden worden verzameld zonder prestatieverlies. Een van de grootste voordelen: de teruggewonnen vaste stoffen kunnen waardevolle mineralen zoals lithium opleveren, een belangrijk ingrediënt in EV-batterijen. In een gerelateerde studie in het Journal of Materials Chemistry A hebben Guo en collega's waterstoftitanaat-nanodeeltjes in de groeven van het metaal ingebed om lithium selectief van andere zouten te scheiden. Met water uit Utah's Great Salt Lake herstelden ze ongeveer 50 procent van het lithium in de achtergebleven zouten. "Het winnen van lithium uit de aarde is gebleken zeer belastend te zijn vanuit energie- en milieuoogpunt," zegt Guo, "dus het direct winnen van lithium uit zout water zou een zeer belangrijke toekomstige route kunnen zijn."
De technologie is nog een proof-of-concept, maar Guo gelooft dat het aanzienlijk kan worden opgeschaald, mogelijk de toegang tot schoon drinkwater vergroot terwijl duurzamere bronnen van kritieke mineralen worden gecreëerd. Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation, de Bill & Melinda Gates Foundation en het Worldwide Universities Network. Andere bijdragers waren Senior Scientist Subash Singh, alumnus Ran Wei '24, PhD-studenten Luheng Tang en Tainshu Xu, en Mingjiang Ma van het Institute of Optics.