Как солнечный свет решит мировой кризис чистой воды?

21 Апреля 2021

Исследователи UniSA разработали рентабельный метод, позволяющий доставлять безопасную питьевую воду миллионам, так сказать, уязвимых людей с использованием дешёвых, экологически чистых материалов и солнечного света.

Проблема мирового масштаба

В мире около 3% пресной воды, а из-за колебаний климата, загрязнения и изменения структуры населения во многих областях этот и без того скудного ресурса становится всё меньше. 1,42 млрд. человек, в том числе 450 миллионов детей, живут в районах с высокой или чрезвычайно высокой уязвимостью к воде, и ожидается, что в ближайшие десятилетия эта цифра будет расти.

Исследователи из Института будущих отраслей UniSA разработали многообещающий новый процесс, который может устранить нехватку воды для миллионов людей, в особенности для тех, кто живёт в неблагополучных сообществах планеты.

Всё о новом методе

Команда под руководством доцента Хаолан Сюй усовершенствовала метод получения пресной воды из морской, солоноватой или загрязненной воды за счет высокоэффективного солнечного испарения, обеспечивая ежедневную доставку свежей питьевой воды для семьи из четырех человек всего с одного квадратного метра исходной жидкости. «Мы преодолели эту неэффективность, и теперь наша технология может поставлять достаточно пресной воды для удовлетворения многих практических потребностей за небольшую часть стоимости существующих технологий, таких как обратный осмос», – говорит Сюй.

В основе системы лежит высокоэффективная фототермическая структура, которая находится на поверхности источника воды и преобразует солнечный свет в тепло, фокусируя энергию точно на поверхности для быстрого испарения самой верхней части жидкости. В то время как другие исследователи изучали подобную технологию, предыдущие усилия были затруднены из-за потери энергии, когда тепло передавалось в исходную воду и рассеивалось в воздухе.

Раньше многие экспериментальные фототермические испарители были в основном двухмерными: это была просто плоская поверхность, и они могли терять 10-20% солнечной энергии на воду и окружающую среду.

«Мы разработали метод, который не только предотвращает любые потери солнечной энергии, но и фактически потребляет дополнительную энергию из воды и окружающей среды, что означает, что система работает со 100-процентной эффективностью для солнечной энергии и потребляет еще 170 процентов энергии из воды и окружающей среды».

В отличие от двумерных структур, используемых другими исследователями, доцент Сюй и его команда разработали трехмерный испаритель в форме ребра, похожий на радиатор. Их конструкция отводит излишки тепла от верхних поверхностей испарителя (т. е. поверхности солнечного испарения), распределяя тепло по поверхности рёбер для испарения воды, таким образом охлаждая верхнюю поверхность испарения и обеспечивая нулевые потери энергии во время испарения солнечной энергии. Этот метод радиатора означает, что все поверхности испарителя остаются при более низкой температуре, чем окружающая вода и воздух, поэтому дополнительная энергия перетекает из внешней среды с более высокой энергией в испаритель с более низкой энергией.

Это в мире исследователи, которые извлекают энергию из объёма воды во время солнечного испарения и используют её для испарения, что помогло процессу стать достаточно эффективным, чтобы доставлять от 10 до 20 литров пресной воды на квадратный метр в день. Помимо эффективности, практичность системы повышается, поскольку она полностью построена из простых, повседневных материалов, которые дешевы, экологичны и легко доступны.

«Одна из основных целей нашего исследования заключалась в обеспечении практического применения, поэтому материалы, которые мы использовали, были просто закуплены в хозяйственном магазине или супермаркете, – говорит доцент Сюй. «Единственным исключением являются фототермические материалы, но даже там мы используем очень простой и экономичный процесс, и реальные успехи, которых мы добились, связаны с проектированием системы и оптимизацией энергетической взаимосвязи, а не с материалами».

Система не только легка в сборке и развёртывании, но и очень проста в обслуживании: конструкция фототермической структуры предотвращает накопление соли и других загрязняющих веществ на поверхности испарителя. В совокупности низкая стоимость и простота обслуживания означают, что система, разработанная доцентом Сюй и его командой, может быть развёрнута в ситуациях, когда другие системы опреснения и очистки были бы финансово и функционально нежизнеспособными.

Верим в лучшее

В дополнение к питьевой воде команда в настоящее время изучает ряд других применений этой технологии, включая очистку сточных вод в промышленных условиях. Есть много потенциальных способов адаптировать одну и ту же технологию, поэтому мы действительно находимся в начале очень увлекательного пути.