Wereldwijd hebben miljarden mensen nog steeds geen betrouwbare toegang tot veilig drinkwater. De Verenigde Naties schatten dat 2,2 miljard mensen geen veilig beheerd drinkwater hebben, terwijl regio's van Californië tot het Midden-Oosten steeds meer afhankelijk zijn van ontziltingsinstallaties om oceaanwater in zoet water om te zetten. Dus, weet je, geen druk.

Ontzilting kan een cruciale watervoorziening bieden, maar de meest voorkomende methoden van vandaag hebben aanzienlijke nadelen. Omgekeerde osmose perst water door gespecialiseerde membranen om zout te verwijderen, terwijl thermische destillatie warmte gebruikt om zoet water van zeewater te scheiden. Beide benaderingen kunnen grote hoeveelheden energie verbruiken, vereisen vaak waterbehandeling voor en na het proces, en genereren een zeer geconcentreerd zout afvalproduct dat pekel wordt genoemd. Wanneer die pekel terug in de oceaan wordt geloosd, kan het het lokale zoutgehalte verhogen en het zuurstofniveau verlagen, wat schadelijke omstandigheden voor mariene organismen creëert. Kortom: wij krijgen drinkwater, de vissen krijgen een vijandige werkomgeving.

Onderzoekers aan de Universiteit van Rochester hebben een andere aanpak ontwikkeld die meerdere van deze problemen tegelijk zou kunnen aanpakken. Wetenschappers van het Institute of Optics van URochester creëerden een zonnethermisch ontziltingssysteem dat is ontworpen om efficiënt zoet water te produceren zonder vloeibare pekel te genereren of chemische additieven te vereisen om het inkomende water voor te behandelen. De methode wordt beschreven in een artikel gepubliceerd in Light: Science & Applications. Het onderzoek werd geleid door Chunlei Guo, hoogleraar optica en natuurkunde en senior wetenschapper aan het Laboratory for Laser Energetics van URochester.

In het hart van de technologie bevinden zich zonnepanelen gemaakt van zwart metaal dat is behandeld met femtoseconde-lasers. Een femtoseconde is een buitengewoon korte tijdseenheid, gelijk aan een biljardste van een seconde. Pulsen van deze ultrasnelle lasers kunnen het oppervlak van een materiaal nauwkeurig veranderen, waardoor microscopische structuren ontstaan die drastisch veranderen hoe het omgaat met licht en water. De laserbehandeling maakt het metaal uiterst effectief in het absorberen van zonlicht en geeft het ook superbevochtigende eigenschappen, wat betekent dat water zich snel over het oppervlak verspreidt in plaats van erop te parelen.

Elk paneel bevat een met laser behandelde actieve zone die een zeer dunne laag zeewater over het oppervlak trekt. Het donkere metaal absorbeert bijna alle inkomende zonnestraling, verwarmt het water en zorgt ervoor dat het verdampt. Die verdamping laat zouten en andere opgeloste mineralen achter. In plaats van toe te staan dat die materialen zich ophopen waar de verdamping plaatsvindt, leidt het paneel ze naar onbehandelde gebieden langs de zijkanten, bekend als de passieve zone. Deze beweging is belangrijk omdat zoutophoping een van de grootste uitdagingen is voor zonnethermische ontziltingssystemen. Als mineralen een harde laag over het actieve oppervlak vormen, kunnen ze de waterbeweging blokkeren en uiteindelijk het systeem stoppen met werken.

Guo zegt dat eerdere zonnethermische ontziltingssystemen vaak goed presteerden in laboratoriumexperimenten met vereenvoudigd kunstmatig zeewater gemaakt van water en natriumchloride. Wanneer natriumchloride kristalliseert terwijl water verdampt, neigt het naar een relatief korrelige en poreuze structuur. Water kan door die kristallen blijven bewegen, wat helpt bij het oplossen van opgehoopt zout en het oppervlak gemakkelijker schoon te maken. Maar echt zeewater is een ander verhaal. Naast natriumchloride bevat het magnesium, calcium en vele andere opgeloste stoffen. Sommige van die verbindingen kunnen kristalliseren tot harde, dichte afzettingen die veel minder poreus zijn. Het is vergelijkbaar met de mineraalaanslag die zich geleidelijk ophoopt in een douchekop of theeketel. In een ontziltingssysteem is de uitdaging echter veel groter omdat zeewater honderden keren meer opgeloste zouten bevat dan gewoon kraanwater. Naarmate die afzettingen zich ophopen, kan water niet meer vrij over het oppervlak stromen, wat de efficiëntie vermindert en uiteindelijk het systeem verstopt.

Om dat probleem te overwinnen, ontwierp Guo's team zorgvuldig micros