По всему миру миллиарды людей до сих пор не имеют надёжного доступа к безопасной питьевой воде. ООН оценивает, что 2,2 миллиарда человек не имеют безопасно управляемого доступа к питьевой воде, в то время как регионы от Калифорнии до Ближнего Востока всё больше полагаются на опреснительные установки, чтобы превратить океанскую воду в пресную. Так что, знаете, никакого давления.

Опреснение может обеспечить критически важное водоснабжение, но самые распространённые сегодня методы имеют существенные недостатки. Обратный осмос проталкивает воду через специальные мембраны для удаления соли, а термическая дистилляция использует тепло для отделения пресной воды от морской. Оба подхода могут потреблять огромное количество энергии, часто требуют водоподготовки до и после процесса и производят высококонцентрированные солёные отходы, известные как рассол. Когда этот рассол сбрасывается обратно в океан, он может повысить местную солёность и снизить уровень кислорода, создавая вредные условия для морских организмов. Короче говоря: мы получаем питьевую воду, а рыбы — враждебную рабочую среду.

Исследователи из Университета Рочестера разработали другой подход, который может помочь решить сразу несколько из этих проблем. Учёные из Института оптики URochester создали систему солнечной термической десalination, предназначенную для эффективного производства пресной воды без образования жидкого рассола и без необходимости химических добавок для предварительной обработки поступающей воды. Метод описан в статье, опубликованной в Light: Science & Applications. Исследование возглавил Чунлэй Го, профессор оптики и физики, старший научный сотрудник Лаборатории лазерной энергетики URochester.

В основе технологии — солнечные панели из чёрного металла, обработанного фемтосекундными лазерами. Фемтосекунда — это чрезвычайно короткая единица времени, равная одной квадриллионной секунды. Импульсы этих сверхбыстрых лазеров могут точно изменять поверхность материала, создавая микроскопические структуры, которые кардинально меняют его взаимодействие со светом и водой. Лазерная обработка делает металл чрезвычайно эффективным для поглощения солнечного света, а также придаёт ему суперфитильные свойства, то есть вода быстро растекается по поверхности, а не собирается в капли.

Каждая панель содержит лазерно-обработанную активную область, которая притягивает очень тонкий слой морской воды по своей поверхности. Тёмный металл поглощает почти всё поступающее солнечное излучение, нагревая воду и вызывая её испарение. Это испарение оставляет соли и другие растворённые минералы позади. Вместо того чтобы позволить этим материалам накапливаться там, где происходит испарение, панель направляет их к необработанным участкам по бокам, известным как пассивная область. Это движение важно, потому что накопление соли — одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются системы солнечного опреснения. Если минералы образуют твёрдый слой на активной поверхности, они могут блокировать движение воды и в конечном итоге остановить работу системы.

Го говорит, что предыдущие системы солнечного термического опреснения часто хорошо работали в лабораторных экспериментах с использованием упрощённой искусственной морской воды из воды и хлорида натрия. Когда хлорид натрия кристаллизуется по мере испарения воды, он tends to form a relatively grainy and porous structure. Вода может продолжать двигаться через эти кристаллы, помогая растворять накопившуюся соль и облегчая очистку поверхности. Но настоящая морская вода — совсем другое дело. Помимо хлорида натрия, она содержит магний, кальций и многие другие растворённые вещества. Некоторые из этих соединений могут кристаллизоваться в твёрдые, плотные отложения, которые гораздо менее пористы. Это похоже на минеральную накипь, которая постепенно накапливается внутри лейки душа или чайника. Однако в системе опреснения проблема гораздо серьёзнее, потому что морская вода содержит в сотни раз больше растворённых солей, чем обычная водопроводная вода. По мере накопления этих отложений вода больше не может свободно течь по поверхности, что снижает эффективность и в конечном итоге засоряет систему.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда Го тщательно спроектировала микроструктуры...