В настоящее время миллиарды людей по всему миру сталкиваются с отсутствием стабильного доступа к безопасной питьевой воде. По данным ООН, около 2,2 миллиарда человек не обеспечены организованным водоснабжением, а в ряде регионов, включая Калифорнию и Ближний Восток, все чаще применяются опреснительные установки для получения пресной воды из морской.

Современные методы опреснения и их ограничения

Опреснение морской воды может стать важным источником пресной воды, однако наиболее распространённые технологии имеют ряд существенных недостатков. Метод обратного осмоса использует специальные мембраны для удаления соли, а термическая дистилляция отделяет пресную воду с помощью нагрева. Оба способа требуют значительных энергетических затрат, часто нуждаются в предварительной и последующей обработке воды, а также приводят к образованию концентрированных солёных отходов (рассола). Сброс рассола в океан увеличивает местную солёность и снижает уровень кислорода, что негативно сказывается на морских экосистемах.

Новый подход к солнечному опреснению

Исследователи из Университета Рочестера разработали альтернативную солнечную термическую систему опреснения, которая позволяет эффективно получать пресную воду без образования жидкого рассола и необходимости использования химических добавок для предварительной обработки. Технология основана на использовании солнечных панелей из чёрного металла, обработанных фемтосекундными лазерами. Такая обработка формирует микроскопические структуры на поверхности металла, что значительно увеличивает его способность поглощать солнечный свет и придаёт сверхвпитывающие свойства — вода быстро распределяется по поверхности, а не собирается каплями.

Принцип работы системы

Каждая панель содержит активную область, обработанную лазером, которая втягивает тонкий слой морской воды. Чёрный металл почти полностью поглощает солнечное излучение, нагревает воду и способствует её испарению. При испарении соли и другие растворённые минералы остаются на поверхности. Вместо накопления этих веществ в месте испарения, панель направляет их к необработанным участкам по краям — так называемой пассивной области.

Это движение важно, поскольку накопление солей — одна из главных проблем солнечных систем опреснения. Если минералы образуют твёрдый слой на активной поверхности, это может блокировать движение воды и остановить работу системы.

Особенности взаимодействия с морской водой

В лабораторных условиях с искусственной морской водой (вода с хлоридом натрия) кристаллы соли обычно формируют пористую структуру, через которую вода может продолжать двигаться, облегчая очистку поверхности. Однако настоящая морская вода содержит множество других растворённых веществ, включая магний и кальций, которые могут образовывать плотные отложения, аналогичные известковому налёту в бытовых приборах, но в гораздо больших объёмах.

По мере накопления таких отложений вода теряет способность свободно перемещаться по поверхности, что снижает эффективность и приводит к засорению системы.

Решения для предотвращения засорения

Для решения этой проблемы команда исследователей спроектировала микроскопические канавки в чёрном металле, чтобы соли и минералы вытеснялись из активной области и не образовывали стойкую корку. Также был использован физический эффект, известный как эффект кофейного кольца: при испарении жидкости взвешенные частицы перемещаются к краю капли, формируя концентрированное кольцо. Этот же принцип применяется для перемещения солей в пассивную область панели.

В ходе экспериментов с реальной морской водой, собранной из Тихого, Атлантического и Индийского океанов, поверхность панели эффективно самоочищалась, направляя оставшиеся соли в пассивную область, где их можно было собрать. При этом эффективность опреснения не снижалась.

Дополнительные преимущества: извлечение полезных минералов

В отличие от традиционных методов, новая система извлекает почти все растворённые соли в твёрдом виде, а не в виде жидкого рассола, что позволяет рассматривать их как ресурс. Часть полученного материала может использоваться как поваренная соль, а также возможно извлечение более ценных минералов.

Особое значение имеет литий — ключевой элемент для производства аккумуляторов, используемых в электромобилях, смартфонах и другой электронике. В сопутствующем исследовании было показано, что сверхвпитывающие солнечные панели можно модифицировать для отделения лития от других солей. Для этого в микроканавки чёрного металла внедряются наночастицы гидротитаната, которые избирательно изолируют литий из смеси солей и минералов.

В экспериментах с образцами из Большого Солёного озера удалось извлечь около 50% лития, содержащегося в солях после опреснения.

Перспективы развития технологии

Технология находится на ранней стадии развития и пока продемонстрирована на относительно небольших экспериментальных устройствах. Однако базовая конструкция масштабируема и в будущем может способствовать расширению доступа к пресной воде и созданию устойчивых источников ценных минералов.

В случае успешного масштабирования этот подход способен одновременно решать две важные задачи: производство большего объёма пресной воды для растущего населения планеты и снижение экологической нагрузки, связанной как с отходами опреснения, так и с добычей минералов.