Надзвичайно ефективна технологія може врятувати життя мільйонів людей по всьому світу

Глобальний дефіцит прісної води спонукає вчених шукати дедалі ефективніші методи опріснення. Нове дослідження демонструє революційний підхід, який поєднує біонічний дизайн та сучасне матеріалознавство для створення системи, що працює з продуктивністю, яка раніше здавалася недосяжною.

Проблема нестачі чистої води стає дедалі гострішою, загрожуючи екосистемам та мільйонам людей. Традиційні методи, такі як зворотний осмос, потребують значних витрат енергії, тому вчені зосередилися на сонячному інтерфейсному випаровуванні (SDIE). Це екологічно чиста та економічно вигідна стратегія, особливо для віддалених регіонів. Однак досі такі системи стикалися з двома основними обмеженнями: низькою щільністю сонячного потоку та накопиченням солі, що руйнує обладнання, зазначено в дослідженні, яке з'явилося 7 травня у журналіNature Communications.

Дивіться такожНауковці знайшли приховану причину потепління, на яку раніше ніхто не звертав уваги

Група дослідників з Північно-Східного університету та Китайської академії наук запропонувала рішення. Вони створили систему сонячного випаровування на основі гідрогелю під назвою TPPJ, яка одночасно керує поповненням води, відведенням пари, відштовхуванням солі та передачею тепла.

Конструкція системи TPPJ (λ-Ti3O5/PVA/PVP/JE) базується на трьох інноваціях:

Результати випробувань виявилися вражаючими. Під сонячним випромінюванням потужністю 1 кіловат на метр квадратний система досягла швидкості випаровування 11,2 кілограма на метр квадратний за годину. Висока ефективність стала можливою завдяки здатності системи збирати не лише сонячне світло, а й тепло з навколишнього середовища.

Це дослідження представляє надійний і масштабований підхід до сталого сонячного опріснення шляхом вирішення питань управління енергією, водою, парою та сіллю в системах SDIE",– прокоментували автори, серед яких головна дослідниця на ім'яРуолань Танг.

Особливу увагу приділили боротьбі з кристалізацією солі. Завдяки бімодальній структурі пор та ефекту Марангоні (конвекція, спричинена градієнтами температури та концентрації), сіль не накопичується на поверхні, а повертається назад у розчин. Система стабільно працювала протягом 100 годин у надзвичайно солоній воді (близько 15 відсотків солі) без будь-яких ознак забруднення.

Біоподібні канали зі стебел ситника відіграють критичну роль. Завдяки своїй супергідрофобності вони запобігають проникненню рідини всередину "димоходів", зберігаючи шлях для вільного руху пари. Це створює так званий "ефект димоходу", який підсилює конвекцію та прискорює випаровування.

Під час випробувань на відкритому повітрі в Шеньяні пристрій продемонстрував добовий вихід прісної води на рівні 39,8 літра на метр квадратний восени та 37,9 літра на метр квадратний взимку. Якість очищеної води перевершила стандарти Всесвітньої організації охорони здоров'я для питної води: концентрація іонів натрію знизилася з 9430 до 1,62 міліграмів на літр.

З погляду економіки, технологія також виглядає перспективною. Матеріали для створення одного метра квадратного випаровувача TPPJ-5 коштують приблизно 8,05 доларів США. Висока ефективність у поєднанні з такою низькою вартістю та компактністю робить цю розробку одним із найперспективніших рішень для подолання глобальної водної кризи.

Завдяки скоординованому дизайну багатомасштабної архітектури ця робота вирішує давню проблему сполученого транспорту води, пари, солі та тепла [...], відкриваючи масштабований шлях до реального застосування сонячного опріснення,– підсумовують дослідники.

Проблема питної води вже давно перестала бути локальною проблемою окремих посушливих регіонів. За оцінками міжнародних організацій, мільярди людей регулярно стикаються або з нестачею безпечної води, або з поганою якістю водопостачання. Причому йдеться не лише про Африку чи Близький Схід. Дефіцит води дедалі сильніше зачіпає Європу, США, Китай, Індію та навіть регіони, які раніше вважалися відносно стабільними.

Основна причина кризи полягає у поєднанні одразу кількох факторів. Населення Землі швидко зростає, міста розширюються, сільське господарство споживає величезні обсяги води, а кліматичні зміни порушують звичні цикли опадів. У багатьох країнах підземні водоносні горизонти виснажуються швидше, ніж встигають поповнюватися. Річки міліють, льодовики тануть, а посухи стають довшими й агресивнішими.

Особливо гостро проблема проявляється у країнах Близького Сходу та Північної Африки. Саме регіон MENA сьогодні вважається найбільш вододефіцитним у світі. У багатьох державах регіону майже немає великих річок або стабільних джерел прісної води. Саудівська Аравія, Кувейт, Бахрейн, Катар та Об'єднані Арабські Емірати фактично виживають завдяки опрісненню морської води. У Кувейті приблизно 90% питної води надходить саме з опріснювальних установок, а у Саудівській Аравії – близько 70%, пишеThe Guardian.

Складна ситуація також спостерігається в Індії, Пакистані, Афганістані та країнах Центральної Азії. Тут проблему посилюють швидке зростання населення, слабка інфраструктура та надмірне використання річкових систем для зрошення. У багатьох районах Індії підземні води викачуються такими темпами, що рівень водоносних шарів падає на кілька метрів за десятиліття.

У країнах Африки ситуація ще драматичніша через поєднання посух, бідності та нестачі інфраструктури. Сомалі, Ефіопія, Чад, Судан і Нігер регулярно переживають гуманітарні кризи, пов'язані саме з водою. У деяких районах люди змушені проходити десятки кілометрів за водою, яка часто є небезпечною для здоров'я.

Навіть розвинені країни не застраховані від дефіциту. У США серйозні проблеми виникають у штатах Каліфорнія, Аризона та Невада, де річка Колорадо вже багато років переживає критичне виснаження. В Європі рекордні посухи останніх років торкнулися Іспанії, Італії, Франції та Греції. В Іспанії деякі водосховища падали до історичних мінімумів, а влада змушена була обмежувати використання води.

Окремою проблемою є забруднення води. Навіть там, де фізично води достатньо, вона може бути непридатною для пиття через промислові відходи, мікропластик, важкі метали, пестициди або бактерії. Це особливо актуально для густонаселених регіонів Азії та Африки.

Саме через це дедалі більше країн роблять ставку на опріснення морської води. Найпоширеніша сучасна технологія – зворотний осмос. Суть полягає в тому, що морську воду під високим тиском пропускають через спеціальні мембрани, які затримують сіль і домішки. Саме ця технологія сьогодні домінує у світі, оскільки вона значно енергоефективніша за старі методи випаровування, йдеться у дослідженні наNature.

Існують також термічні методи опріснення, наприклад, багатоступенева дистиляція, коли морську воду фактично кип'ятять і конденсують пару. Такі системи широко використовувалися в країнах Перської затоки, де є дешеві енергоресурси. Проте вони потребують величезної кількості енергії.

Головна проблема опріснення – висока вартість та енергоспоживання. Хоча технології стали значно дешевшими за останні десятиліття, виробництво одного кубічного метра опрісненої води все одно коштує приблизно від 0,5 до 1,5 доларів залежно від регіону, енергоносіїв та масштабу станції. Енергія може становити до 75% усіх операційних витрат, повідомляєEcofin Agency.

Крім того, опріснення створює серйозні екологічні проблеми:

Ще один недолік – залежність від стабільної енергосистеми. Великі опріснювальні комплекси стали критично важливою інфраструктурою для країн Перської затоки. Пошкодження таких об'єктів через війни або диверсії може швидко залишити без води мільйони людей.

У 2026 році експерти прямо попереджали про вразливість опріснювальних заводів у регіоні через загострення конфліктів на Близькому Сході. Також відомо, що у квітніхакери атакували ізраїльські опріснювальні заводи.

Попри це, галузь активно розвивається. Сучасні мембрани стають ефективнішими та довговічнішими. Інженери працюють над системами рекуперації енергії, які знижують витрати електрики. Дедалі більше проєктів поєднують опріснення із сонячною та вітровою енергетикою. Особливо активно такі рішення впроваджують у Саудівській Аравії, Марокко, Ізраїлі та Австралії, зазначаєInternational Energy Agency.

Також з'являються експериментальні технології на основі графенових мембран, наноматеріалів та електрохімічних процесів. Дослідники намагаються створити системи, які працюватимуть з меншими витратами енергії та вироблятимуть менше шкідливого розсолу. Деякі компанії тестують компактні мобільні установки для невеликих міст або віддалених районів.