Согласно ООН, 2,2 миллиарда человек до сих пор не имеют доступа к безопасной питьевой воде — это значит, что многие либо ходят за водой за мили, либо платят бешеные деньги за бутилированную. Чтобы удовлетворить спрос, регионы от Калифорнии до частей Ближнего Востока обратились к опреснительным установкам, превращающим морскую воду в пресную, но процесс дорогой, энергоемкий и порождает огромные объемы концентрированного соляного рассола, который при сбросе обратно в океан наносит ущерб морским экосистемам, повышая соленость и высасывая кислород. Это как решить одну проблему, создав другую, только более соленую.

Исследователи из Рочестерского университета под руководством профессора оптики и физики Чунлея Го представили систему солнечного опреснения, которая обходит большинство этих головных болей. Их подход, описанный в журнале Light: Science & Applications, эффективно производит пресную воду, не требует химической предварительной обработки и — что важно — не образует отходов рассола. Вместо этого он извлекает почти все растворенные соли в твердой форме, что почти так же хорошо, как иметь и морскую воду, и пить ее, насколько наука продвинулась.

Система основана на солнечных панелях из черного металла, обработанного фемтосекундными лазерами. Эта обработка придает поверхности две суперспособности: она поглощает почти весь падающий солнечный свет и становится суперсмачиваемой — то есть любит воду почти так же, как обезвоженный марафонец. Лазерно-структурированная активная область притягивает тонкий слой морской воды через панель. Солнечный свет испаряет воду, которая дистиллируется в пресную, в то время как растворенные соли и минералы направляются в необработанные пассивные области, предотвращая накопление, которое обычно забивает менее совершенные технологии опреснения.

Го отмечает, что многие системы солнечного термического опреснения хорошо работают в лабораторных тестах с упрощенной морской водой, состоящей только из воды и хлорида натрия. Но настоящие океаны содержат магний и кальций, которые при кристаллизации образуют твердые плотные корки — похоже на минеральную накипь в чайнике, только морская вода гораздо более концентрированная. Чтобы решить эту проблему, команда разработала микроскопические канавки на поверхности черного металла, которые заставляют соли мигрировать из активной зоны до того, как они накопятся, используя эффект кофейного кольца — тот же феномен, который оставляет надоедливое коричневое кольцо на вашем столе после пролитого кофе. «Если вы проливаете кофе на поверхность, в конце концов вода испаряется, и остается кольцо на внешнем крае», — объясняет Го. «Мы используем тот же принцип, чтобы перемещать соли в пассивную область».

При тестировании с водой из Тихого, Атлантического и Индийского океанов поверхность самоочищалась непрерывно, извлекая пресную воду и направляя соли в пассивные области, где их можно было собирать без потери производительности. Один из самых больших плюсов: извлеченные твердые вещества могут дать ценные минералы, такие как литий, ключевой ингредиент аккумуляторов для электромобилей. В связанном исследовании в Journal of Materials Chemistry A Го и коллеги внедрили наночастицы титаната водорода в канавки металла, чтобы селективно изолировать литий от других солей. Используя воду из Большого Соленого озера в Юте, они извлекли около 50 процентов лития, содержащегося в остаточных солях. «Добыча лития из земли оказалась очень энергоемкой и вредной для окружающей среды», — говорит Го, «поэтому извлечение лития непосредственно из соленой воды может стать очень важным путем в будущем».

Технология все еще является доказательством концепции, но Го считает, что ее можно значительно масштабировать, потенциально расширяя доступ к чистой питьевой воде и создавая более устойчивые источники критически важных минералов. Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Фондом Билла и Мелинды Гейтс и Всемирной сетью университетов. Дополнительные участники включали старшего научного сотрудника Субаша Сингха, выпускника Ран Вэя '24, аспирантов Лухэн Тан и Тяньшу Сюй, а также Минцзяна Ма из Института оптики.