По данным ООН, 2,2 миллиарда человек до сих пор не имеют доступа к чистой питьевой воде. Во многих регионах, от Калифорнии до Ближнего Востока, проблему пытаются решать опреснительными заводами, но традиционные методы (обратный осмос или термическая дистилляция) дороги, требуют химикатов и оставляют огромное количество токсичного рассола — brine. Выброс этого рассола обратно в океан губит морские экосистемы.
Учёные из University of Rochester предложили принципиально другой подход. Команда под руководством профессора Чунлея Го (Chunlei Guo) разработала солнечную опреснительную систему, которая работает без химической предобработки, не производит жидких отходов и ещё и добывает ценные минералы. Результаты опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
Всё дело в специальных солнечных панелях из чёрного металла, обработанного фемтосекундным лазером. Такая обработка даёт два эффекта: поверхность поглощает почти весь солнечный свет и становится супергидрофильной — она буквально «впитывает» воду. Тонкий слой морской воды проходит через лазерную активную зону, испаряется под солнцем, и пар конденсируется в пресную воду. А соли и минералы при этом сдвигаются на необработанные участки — пассивные регионы.
Но настоящая инженерная проблема — это реальная морская вода. В лабораториях часто используют упрощённый раствор соли, но в океане есть магний и кальций, которые образуют твёрдую корку, забивающую систему. Команда решила это за счёт микроскопических канавок на поверхности металла. Они используют так называемый «эффект кофейного кольца» (coffee ring effect): когда капля испаряется, частицы собираются по краям. Здесь тот же принцип отводит соли в пассивные зоны, не давая им забить активную область. Систему протестировали на воде из Тихого, Атлантического и Индийского океанов — она самоочищалась и стабильно выдавала пресную воду.
Ещё один бонус — соль на панелях кристаллизуется в твёрдом виде, а не в виде жидкого рассола. Её можно собирать и использовать. В дополнение, в статье в Journal of Materials Chemistry A Го с коллегами показали, как те же панели могут извлекать литий. Для этого в микроскопические канавки встроили наночастицы гидротитаната. В тестах с водой из Большого Солёного озера в Юте удалось извлечь около 50% лития. Чунлей Го отмечает, что добыча лития из земли энергозатратна и вредна для экологии, а прямое извлечение из солёной воды может стать важным альтернативным путём.
Пока технология существует только как proof of concept, но автор уверен, что её можно масштабировать. Исследование поддержали National Science Foundation, Bill & Melinda Gates Foundation и Worldwide Universities Network.