По данным ООН, около 2,2 миллиарда человек на планете не имеют доступа к безопасной питьевой воде. В таких регионах, как Калифорния и Ближний Восток, всё чаще полагаются на опреснительные установки, превращающие морскую воду в пресную. Однако существующие способы опреснения имеют серьёзные недостатки.
Наиболее распространённые методы — обратный осмос и термическая дистилляция — требуют больших затрат энергии и часто нуждаются в предварительной и последующей обработке воды. Кроме того, они образуют концентрированный солевой отход — рассол. При сбросе в океан рассол повышает локальную солёность и снижает уровень кислорода, что вредит морским организмам.
Исследователи из Рочестерского университета разработали иной подход, способный решить сразу несколько из этих проблем. Учёные из Института оптики создали систему солнечного термического опреснения, которая эффективно производит пресную воду, не образуя жидкого рассола и не требуя химических добавок для предварительной обработки. Метод описан в статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications. Руководил исследованием Чунлэй Го, профессор оптики и физики, старший научный сотрудник Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета.
Основу технологии составляют солнечные панели из чёрного металла, обработанного фемтосекундными лазерами. Фемтосекунда — это одна квадриллионная доля секунды. Импульсы таких сверхбыстрых лазеров точно изменяют поверхность материала, создавая микроскопические структуры, которые кардинально меняют его взаимодействие со светом и водой. Лазерная обработка делает металл чрезвычайно эффективным в поглощении солнечного света и придаёт ему супервпитывающие свойства: вода быстро растекается по поверхности, а не собирается в капли. Каждая панель содержит активную зону, которая притягивает тончайший слой морской воды. Тёмный металл поглощает почти всё солнечное излучение, нагревая воду и вызывая её испарение. Соли и растворённые минералы при этом не накапливаются в зоне испарения, а направляются к необработанным участкам по краям панели — пассивной зоне.
Это важно, поскольку накопление соли — одна из главных проблем солнечного опреснения: минералы могут образовать твёрдый слой, блокирующий движение воды и останавливающий работу системы. По словам Го, прежние системы часто хорошо работали в лаборатории с искусственной морской водой из воды и хлорида натрия. При испарении такой раствор образует зернистую пористую структуру, через которую вода продолжает проходить, помогая растворять соль. Настоящая морская вода содержит магний, кальций и множество других веществ, некоторые из которых кристаллизуются в твёрдые плотные отложения — подобно накипи в чайнике, но с концентрацией солей в сотни раз выше. Чтобы решить эту проблему, команда Го создала микроскопические бороздки в чёрном металле, отводящие соли от активной зоны. Исследователи использовали эффект кофейного кольца: когда вода испаряется, взвешенные частицы движутся к краю капли, оставляя тёмное кольцо. «Если капнуть кофе на поверхность, вода в итоге испаряется, а по внешнему краю остаётся кольцо из концентрированных частиц кофе, — говорит Го. — Мы используем тот же принцип, чтобы продвигать соли в пассивную зону». Испытания на реальной морской воде из Тихого, Атлантического и Индийского океанов показали, что поверхность самоочищается, а накопление минералов не снижает эффективность опреснения.
Ещё одно преимущество — судьба соли после удаления воды. Вместо жидкого рассола система извлекает почти 100 процентов растворённых солей в твёрдом виде. Этот материал может стать ресурсом: часть пригодна как поваренная соль, а более ценные минералы можно извлекать отдельно. Особенно важен литий — ключевой компонент аккумуляторов для электромобилей, смартфонов и ноутбуков. В связанном исследовании, опубликованном в Journal of Materials Chemistry A, группа Го показала, что те же супервпитывающие солнечные панели можно модифицировать для отделения лития от других солей. В микроскопические бороздки чёрного металла внедрили наночастицы из титаната водорода, которые избирательно выделяют литий. «Добыча лития из земли оказалась очень затратной с энергетической и экологической точки зрения, поэтому извлечение лития прямо из солёной воды может стать важным путём в будущем», — отмечает Го. На образцах из Большого Солёного озера команде удалось извлечь около 50 процентов лития, содержащегося в солях после опреснения.
Технология пока находится на ранней стадии: супервпитывающее опреснение продемонстрировано в экспериментах с относительно небольшими устройствами. Го утверждает, что базовая конструкция легко масштабируется и в перспективе может расширить доступ к пресной воде и создать более устойчивые источники ценных минералов. При успешном масштабировании подход позволит одновременно производить больше пресной воды для растущего населения планеты и снизить экологическую нагрузку от отходов опреснения и добычи полезных ископаемых. Исследование поддержали Национальный научный фонд, Фонд Билла и Мелинды Гейтс и Всемирная сеть университетов. Среди коллег Го из Института оптики, участвовавших в работе, — старший научный сотрудник Субаш Сингх, выпускник Ран Вэй, аспиранты Лухэн Тан и Тяньшу Сюй, а также Минцзян Ма.