Na całym świecie miliardy ludzi wciąż nie mają niezawodnego dostępu do bezpiecznej wody pitnej. ONZ szacuje, że 2,2 miliarda ludzi nie ma dostępu do bezpiecznie zarządzanej wody pitnej, a regiony od Kalifornii po Bliski Wschód coraz częściej polegają na zakładach odsalania, aby zamienić wodę oceaniczną w słodką. Więc, no wiecie, bez presji.

Odsalanie może zapewnić krytyczne źródło wody, ale najczęstsze dzisiejsze metody mają poważne wady. Odwrócona osmoza przepycha wodę przez specjalistyczne membrany, aby usunąć sól, podczas gdy destylacja termiczna wykorzystuje ciepło do oddzielenia słodkiej wody od morskiej. Oba podejścia mogą zużywać ogromne ilości energii, często wymagają uzdatniania wody przed i po procesie oraz generują wysoce stężony słony odpad znany jako solanka. Gdy ta solanka jest odprowadzana z powrotem do oceanu, może zwiększyć lokalne zasolenie i obniżyć poziom tlenu, tworząc szkodliwe warunki dla organizmów morskich. Krótko mówiąc: my dostajemy wodę pitną, ryby dostają wrogie środowisko pracy.

Naukowcy z University of Rochester opracowali inne podejście, które może pomóc rozwiązać kilka z tych problemów jednocześnie. Naukowcy z Instytutu Optyki URochester stworzyli słoneczny system odsalania termicznego zaprojektowany do wydajnego produkowania słodkiej wody bez generowania płynnej solanki i bez potrzeby stosowania dodatków chemicznych do wstępnego uzdatniania napływającej wody. Metoda została opisana w artykule opublikowanym w Light: Science & Applications. Badania prowadził Chunlei Guo, profesor optyki i fizyki oraz starszy naukowiec w Laboratorium Laserowej Energetyki URochester.

Sercem technologii są panele słoneczne wykonane z czarnego metalu, który został poddany działaniu laserów femtosekundowych. Femtosekunda to niezwykle krótka jednostka czasu, równa jednej biliardowej sekundy. Impulsy z tych ultraszybkich laserów mogą precyzyjnie modyfikować powierzchnię materiału, tworząc mikroskopijne struktury, które dramatycznie zmieniają sposób, w jaki oddziałuje on ze światłem i wodą. Obróbka laserowa sprawia, że metal jest niezwykle skuteczny w pochłanianiu światła słonecznego, a także nadaje mu właściwości superzwilżalne, co oznacza, że woda szybko rozprzestrzenia się po powierzchni, zamiast tworzyć kropelki.

Każdy panel zawiera aktywny obszar poddany obróbce laserowej, który przeciąga bardzo cienką warstwę wody morskiej po swojej powierzchni. Ciemny metal pochłania niemal całe padające promieniowanie słoneczne, podgrzewając wodę i powodując jej parowanie. To parowanie pozostawia sole i inne rozpuszczone minerały. Zamiast pozwalać tym materiałom gromadzić się w miejscu parowania, panel kieruje je w stronę nieobrobionych obszarów wzdłuż boków, znanych jako obszar pasywny. Ten ruch jest ważny, ponieważ gromadzenie się soli jest jednym z największych wyzwań stojących przed słonecznymi systemami odsalania. Jeśli minerały utworzą twardą warstwę na aktywnej powierzchni, mogą zablokować przepływ wody i ostatecznie zatrzymać działanie systemu.

Guo mówi, że poprzednie słoneczne systemy odsalania termicznego często działały dobrze w eksperymentach laboratoryjnych z użyciem uproszczonej sztucznej wody morskiej wykonanej z wody i chlorku sodu. Gdy chlorek sodu krystalizuje podczas parowania wody, ma tendencję do tworzenia stosunkowo ziarnistej i porowatej struktury. Woda może nadal przepływać przez te kryształy, pomagając rozpuścić nagromadzoną sól i ułatwiając czyszczenie powierzchni. Ale prawdziwa woda morska to zupełnie inna bestia. Oprócz chlorku sodu zawiera magnez, wapń i wiele innych rozpuszczonych substancji. Niektóre z tych związków mogą krystalizować w twarde, gęste osady, które są znacznie mniej porowate. Jest to podobne do kamienia mineralnego, który stopniowo gromadzi się wewnątrz głowicy prysznicowej lub czajnika. Jednak w systemie odsalania wyzwanie jest znacznie większe, ponieważ woda morska zawiera setki razy więcej rozpuszczonych soli niż zwykła woda z kranu. Gdy te osady się gromadzą, woda nie może już swobodnie przepływać po powierzchni, co zmniejsza wydajność i ostatecznie zatyka system.

Aby przezwyciężyć ten problem, zespół Guo starannie zaprojektował mikroskopijne struktury na powierzchni metalu, które kierują sole do obszarów pasywnych, gdzie mogą się gromadzić bez zakłócania parowania. W testach z prawdziwą wodą morską system działał przez wiele dni bez oznak zatykania, jednocześnie wytwarzając czystą wodę pitną. Co więcej, sole zebrane w obszarach pasywnych zawierają cenny lit, który można odzyskać jako produkt uboczny. To potencjalnie czyni proces bardziej opłacalnym i zrównoważonym.

Badanie pokazuje, że możliwe jest odsalanie wody morskiej przy użyciu energii słonecznej w sposób, który nie tworzy problematycznej solanki i nie wymaga chemikaliów. Chociaż technologia wymaga dalszego rozwoju i skalowania, oferuje obiecującą drogę do rozwiązania globalnego kryzysu wodnego bez pogarszania stanu oceanów. A jeśli przy okazji możemy wydobyć lit do baterii, tym lepiej.