Налейте моря… в чемодан.

Испытание прототипа на открытом воздухе при естественном солнечном свете. Источник.

Достижения последних лет в области многоступенчатой дистилляции под действием солнечных лучей обещают уверенное снабжение пресной водой, но картину портит значительное ухудшение производительности такого опреснения из-за накопления солей, засоряющих рабочие элементы установок. Это создало проблему как для надёжности конструкций и, соответственно, продолжительности эксплуатации, так и для эффективности очистки океанических или морских вод.

Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) в соавторстве с китайскими коллегами нашли способ превратить морскую воду в питьевую, который ознаменовался рядом важных преимуществ. Вдохновившись океанскими течениями, учёные создали пассивное устройство, принимающее в свои резервуары солёную воду моря и выпаривающее её под воздействием естественного освещения. Проект новой автономной системы опреснения описан в журнале Joule.

На первый взгляд ничего интересного ‒ всё это уже было и причём неоднократно, ‒ но о некоторых особенностях всё же стоит рассказать. Разработка позволяет воде циркулировать в закрученных водоворотах подобно одному из главных механизмов морских течений, возникающему за счёт различий температуры и солёности вод, ‒ «термогалинной» циркуляции океана, громадной по своим объёмам. В рамках, ограниченных размерами установки, под действием солнечного тепла эта циркуляция заставляет воду испаряться, отделяя её от солей. Полученный таким образом водяной пар, представляющий уже готовую чистую воду, собирается, а остатки соли, по завершению цикла циркуляции, бесследно покидают устройство, не засоряя систему.

Результаты испытаний показали, что такой подход обнаруживает куда больший уровень эффективности ‒ как по получаемым объёмам питьевой воды, так и по её качеству (соли удаляются более тщательно), ‒ чем наблюдаемые возможности всех сегодня тестируемых концепций пассивного солнечного опреснения. По оценкам исследователей, если масштабировать систему до размеров небольшого чемодана, она сможет производить от 4 до 6 литров питьевой воды в час, делая менее выгодным использование даже обычного водопровода.

«Впервые вода, производимая солнечным светом, может быть даже дешевле, чем водопроводная вода», ‒ говорит Ленан Чжан, научный сотрудник Лаборатории исследования устройств MIT.

Мало того, такой чемоданчик вполне способен прослужить несколько лет, прежде чем понадобится его ремонт. Что же до масштабируемости, предполагается, что несколько увеличенное в масштабе устройство сможет удовлетворить ежедневные потребности небольшой семьи. Команда также считает, что система могла бы справиться и с водоснабжением каких-то автономных прибрежных поселений и даже некоторых северных экспедиций. Главное, чтобы морская вода была легко доступна.

Мощная конвекция.

Как водится, всё новое стоит на плечах предшественников. Так и новая система стала улучшением конструкции 2020 года, имевшей похожую многослойную концепцию. Каждая её ступень содержала испаритель и конденсатор, которые использовали тепло солнца для пассивного отделения соли от поступающей воды. Та конструкция тоже довольно эффективно выпаривала морскую воду под действием солнечной энергии и собирала питьевой конденсат, но тесты, проведённые на крыше здания MIT, выявили один очень существенный изъян. Накапливаясь, оставшаяся соль кристаллизовалась и засоряла систему буквально за несколько дней. Из-за этого эксплуатация системы в реальных условиях приводила бы к необходимости увеличить число установок с тем, чтобы периодическая чистка одной из них не прекращала бы водоснабжение. В таком случае пользователю пришлось бы значительно увеличить не только соответствующую статью своего бюджета, но и частоту обслуживания.

В дальнейшем был разработан аналогичный многослойный вариант с дополнительной функцией, помогающей циркуляции поступающей воды, которая не позволяла соли оседать и накапливаться на элементах конструкции. Но и в этот раз не обошлось без недочётов: вследствие дополнительных узлов, скорость опреснения воды значительно снизилась.

Относительно же дизайна последней версии, команда полагает, что обеспечить и высокую производительность, и высокое качество удаления солей наконец-то удалось. Являя собой сочетание двух предыдущих концепций ‒ многоступенчатой системы испарителей и конденсаторов, оснащённой усилителем циркуляции воды и соли внутри каждой ступени, ‒ новая модификация вполне способна быстро и надёжно производить питьевую воду в течение длительного периода времени. 

«Теперь мы представляем ещё более мощную конвекцию, похожую на ту, которую мы обычно видим в океане, на километровых масштабах», ‒ говорит Чжэньюань Сюй из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае о применении той самой термогалинной океанической циркуляции в миниатюре.

«Когда морская вода подвергается воздействию воздуха, солнечный свет заставляет воду испаряться. Когда вода уходит с поверхности, остаётся соль. И чем выше концентрация соли, тем плотнее жидкость, и эта более тяжёлая вода хочет течь вниз, ‒ поясняет процесс Чжан. ‒ Имитируя это явление шириной в километр в маленьком ящике, мы можем воспользоваться этой функцией, чтобы отделить соли».

Солеотведение.

Сердцем новой разработки предстаёт единая ступень в форме тонкой коробки, покрытой тёмным материалом, эффективно поглощающим солнечное тепло. Внутри она разделена на верхнюю и нижнюю части, в которых и происходит весь процесс. Потолок верхней половины покрыт слоем испарителя, который посредством солнечного нагрева может выпарить воду при непосредственном контакте с ней. В эту верхнюю камеру подаётся наше условное море. Затем пар направляется в нижнюю часть, где воздушное охлаждение конденсирует его в бессолевую пригодную для питья воду.

Но это ещё не всё: получившаяся коробка стала начинкой пустого ящика побольше (сравнимого с чемоданом), причём нижняя его часть соединилась с верхним резервуаром коробки для подачи туда солёной воды. После этого всю конструкцию опустили резервуар с солёной водой. На схеме это выглядит примерно так:

Термохалинная конвекция инициируется при испарении в ограниченном слое соли. Источник.

В такой конфигурации вода может естественным образом подниматься через трубку в коробку, где наклон коробки в сочетании с тепловой энергией солнца заставляет воду завихряться при прохождении через неё. Эти небольшие водовороты помогают воде контактировать с верхним испаряющим слоем, сохраняя при этом циркуляцию соли, предотвращая её оседание и засорение конструкции.

Таким образом, теперь можно с уверенностью утверждать, что термохалинная конвекция вкупе с многоступенчатой мембранной дистилляцией на солнечной энергии демонстрирует исключительную устойчивость к засолению поверхностей устройства, что, в свою очередь, сказывается на улучшении теплообмена. Это стало возможно благодаря использованию ограниченного слоя соли в качестве испарителя.

Все выводы конечно же были подтверждены экспериментально. Для проведения тестов исследователи построили несколько прототипов с одной, тремя и десятью ступенями. Все три модели подвергались испытаниям водой различной солёности, включая не только природную морскую воду, но и семикратно пересоленную её порцию.

Наклонный 10-тиступенчатый прототип расположен в резервуаре, напоминающем лодку. Источник.

В процессе работы 10-тиступенчатого устройства удалось достичь рекордно высокой солнечно-водной эффективности: от 322 до 121% в диапазоне солёности от 0 до 20 массовых долей соответственно; под одним и тем же солнцем. Однако ещё более важной учёные считают чрезвычайную сопротивляемость накоплению солей, которую установки продемонстрировали даже при непрерывном опреснении морской воды с концентрацией 20 мас.% в течение 180 часов (7 с половиной дней). Благодаря этому значительно возрастает также и производительность системы.

Расчёты по итогам экспериментов приводят к тому, что увеличение каждой ступени до квадратного метра поднимет её производительность до 5 литров питьевой воды в час, и что система сможет опреснять воду без последствий от накопления соли в течение нескольких лет. Учитывая такой продолжительный срок службы и тот факт, что система полностью пассивна и не требует электричества для работы, по оценкам команды, общая стоимость эксплуатации системы будет дешевле, чем стоимость производства водопроводной воды в США.

«Мы показываем, что это устройство способно прослужить долго, ‒ говорит Чжун. ‒ Это означает, что впервые питьевая вода, производимая солнечным светом, может быть дешевле, чем водопроводная вода. Это открывает возможность опреснения воды с помощью солнечной энергии для решения реальных проблем».

В связке со стойкостью к воздействию соли на элементы конструкции, высокая производительность значительно снижает затраты на само производство воды. По всем параметрам и характеристикам получается, что в действительности разработка пассивного опреснения посредством солнечной энергии успешно завершена, и какая разница ‒ с третьего, первого или 48 раза? Главное ‒ система готова к практическому применению и внедрению в нуждающихся регионах и домохозяйствах для постоянного экономичного водоснабжения.

«Это очень инновационный подход, который эффективно смягчает ключевые проблемы в области опреснения, ‒ подтверждает Гуйхуа Юй, разработчик систем хранения воды и энергии в Техасском университете, который не участвовал в исследовании. ‒ Эта разработка особенно полезна для регионов, испытывающих проблемы с водой с высокой солёностью. Её модульная конструкция делает её крайне подходящей для производства воды в домашних условиях, обеспечивая масштабируемость и адаптируемость для удовлетворения индивидуальных потребностей».

АРМК, по материалам MIT, Joule.