Чрезвычайно эффективная технология может спасти жизни миллионов людей по всему миру

Что позволило достичь рекордной эффективности опреснения?

Проблема нехватки чистой воды становится все более острой, угрожая экосистемам и миллионам людей. Традиционные методы, такие как обратный осмос, требуют значительных затрат энергии, поэтому ученые сосредоточились на солнечном интерфейсном испарении (SDIE). Это экологически чистая и экономически выгодная стратегия, особенно для отдаленных регионов. Однако до сих пор такие системы сталкивались с двумя основными ограничениями: низкой плотностью солнечного потока и накоплением соли, что разрушает оборудование, указано в исследовании, которое появилось 7 мая в журнале Nature Communications.

Смотрите также Ученые нашли скрытую причину потепления, на которую раньше никто не обращал внимания

Группа исследователей из Северо-Восточного университета и Китайской академии наук предложила решение. Они создали систему солнечного испарения на основе гидрогеля под названием TPPJ, которая одновременно управляет пополнением воды, отводом пара, отталкиванием соли и передачей тепла.

Конструкция системы TPPJ (λ-Ti3O5/PVA/PVP/JE) базируется на трех инновациях:

• Во-первых, это бимодальная пористая архитектура из гидрогелей поливинилового спирта (PVA) и поливинилпирролидона (PVP), которая обеспечивает быструю доставку воды и пассивный отвод соли.
• Во-вторых, использование перфорированных стеблей растения Juncus effusus (ситник раскидистый), которые действуют как биоподобные "дымоходы" для выхода пара.
• В-третьих, конструкция с перевернутой конической полостью, что увеличивает площадь испарения и минимизирует отражение света.

Результаты испытаний оказались впечатляющими. Под солнечным излучением мощностью 1 киловатт на метр квадратный система достигла скорости испарения 11,2 килограмма на метр квадратный в час. Высокая эффективность стала возможной благодаря способности системы собирать не только солнечный свет, но и тепло из окружающей среды.

Это исследование представляет надежный и масштабируемый подход к устойчивому солнечному опреснению путем решения вопросов управления энергией, водой, паром и солью в системах SDIE", 
– прокомментировали авторы, среди которых главная исследовательница по имени Руолань Танг.

Никакой кристаллизации соли

Особое внимание уделили борьбе с кристаллизацией соли. Благодаря бимодальной структуре пор и эффекту Марангони (конвекция, вызванная градиентами температуры и концентрации), соль не накапливается на поверхности, а возвращается обратно в раствор. Система стабильно работала в течение 100 часов в чрезвычайно соленой воде (около 15 процентов соли) без каких-либо признаков загрязнения.

Биоподобные каналы из стеблей ситника играют критическую роль. Благодаря своей супергидрофобности они предотвращают проникновение жидкости внутрь "дымоходов", сохраняя путь для свободного движения пара. Это создает так называемый "эффект дымохода", который усиливает конвекцию и ускоряет испарение.

Сколько воды смогли получить?

Во время испытаний на открытом воздухе в Шэньяне устройство продемонстрировало суточный выход пресной воды на уровне 39,8 литра на метр квадратный осенью и 37,9 литра на метр квадратный зимой. Качество очищенной воды превзошло стандарты Всемирной организации здравоохранения для питьевой воды: концентрация ионов натрия снизилась с 9430 до 1,62 миллиграммов на литр.

Выгодна ли эта технология?

С точки зрения экономики, технология также выглядит перспективной. Материалы для создания одного метра квадратного испарителя TPPJ-5 стоят примерно 8,05 долларов США. Высокая эффективность в сочетании с такой низкой стоимостью и компактностью делает эту разработку одним из самых перспективных решений для преодоления глобального водного кризиса.

Благодаря скоординированному дизайну многомасштабной архитектуры эта работа решает давнюю проблему сопряженного транспорта воды, пара, соли и тепла [...], открывая масштабируемый путь к реальному применению солнечного опреснения, 
– заключают исследователи.

Вам также будет интересно: что известно о проблеме питьевой воды в мире

Проблема питьевой воды уже давно перестала быть локальной проблемой отдельных засушливых регионов. По оценкам международных организаций, миллиарды людей регулярно сталкиваются или с нехваткой безопасной воды, или с плохим качеством водоснабжения. Причем речь идет не только об Африке или Ближнем Востоке. Дефицит воды все сильнее затрагивает Европу, США, Китай, Индию и даже регионы, которые ранее считались относительно стабильными.

Основная причина кризиса заключается в сочетании сразу нескольких факторов. Население Земли быстро растет, города расширяются, сельское хозяйство потребляет огромные объемы воды, а климатические изменения нарушают привычные циклы осадков. Во многих странах подземные водоносные горизонты истощаются быстрее, чем успевают пополняться. Реки мелеют, ледники тают, а засухи становятся длиннее и агрессивнее.

Где проблема самая большая?

Особенно остро проблема проявляется в странах Ближнего Востока и Северной Африки. Именно регион MENA сегодня считается наиболее вододефицитным в мире. Во многих государствах региона почти нет больших рек или стабильных источников пресной воды. Саудовская Аравия, Кувейт, Бахрейн, Катар и Объединенные Арабские Эмираты фактически выживают благодаря опреснению морской воды. В Кувейте примерно 90% питьевой воды поступает именно из опреснительных установок, а в Саудовской Аравии – около 70%, пишет The Guardian.

Сложная ситуация также наблюдается в Индии, Пакистане, Афганистане и странах Центральной Азии. Здесь проблему усугубляют быстрый рост населения, слабая инфраструктура и чрезмерное использование речных систем для орошения. Во многих районах Индии подземные воды выкачиваются такими темпами, что уровень водоносных слоев падает на несколько метров за десятилетия.

В странах Африки ситуация еще более драматична из-за сочетания засух, бедности и недостатка инфраструктуры. Сомали, Эфиопия, Чад, Судан и Нигер регулярно переживают гуманитарные кризисы, связанные именно с водой. В некоторых районах люди вынуждены проходить десятки километров за водой, которая часто опасна для здоровья.

Даже развитые страны не застрахованы от дефицита. В США серьезные проблемы возникают в штатах Калифорния, Аризона и Невада, где река Колорадо уже много лет переживает критическое истощение. В Европе рекордные засухи последних лет коснулись Испании, Италии, Франции и Греции. В Испании некоторые водохранилища падали до исторических минимумов, а власти вынуждены были ограничивать использование воды.

Загрязнение воды

Отдельной проблемой является загрязнение воды. Даже там, где физически воды достаточно, она может быть непригодной для питья из-за промышленных отходов, микропластик, тяжелые металлы, пестициды или бактерии. Это особенно актуально для густонаселенных регионов Азии и Африки.

Как люди опресняют воду и почему это до сих пор является проблемой?

Именно поэтому все больше стран делают ставку на опреснение морской воды. Самая распространенная современная технология – обратный осмос. Суть заключается в том, что морскую воду под высоким давлением пропускают через специальные мембраны, которые задерживают соль и примеси. Именно эта технология сегодня доминирует в мире, поскольку она значительно энергоэффективнее старых методов испарения, говорится в исследовании на Nature.

Существуют также термические методы опреснения, например, многоступенчатая дистилляция, когда морскую воду фактически кипятят и конденсируют пар. Такие системы широко использовались в странах Персидского залива, где есть дешевые энергоресурсы. Однако они требуют огромного количества энергии.

Главная проблема опреснения – высокая стоимость и энергопотребление. Хотя технологии стали значительно дешевле за последние десятилетия, производство одного кубического метра опресненной воды все равно стоит примерно от 0,5 до 1,5 долларов в зависимости от региона, энергоносителей и масштаба станции. Энергия может составлять до 75% всех операционных расходов, сообщает Ecofin Agency.

Кроме того, опреснения создает серьезные экологические проблемы:

• После очистки остается концентрированный соляной раствор – так называемый рассол. Его обычно сбрасывают обратно в море, что повышает соленость прибрежных вод и вредит морским экосистемам.
• Исследователи также обращают внимание на большие выбросы углекислого газа, если станции работают на ископаемом топливе.

Еще один недостаток – зависимость от стабильной энергосистемы. Крупные опреснительные комплексы стали критически важной инфраструктурой для стран Персидского залива. Повреждение таких объектов из-за войны или диверсии может быстро оставить без воды миллионы людей.

В 2026 году эксперты прямо предупреждали об уязвимости опреснительных заводов в регионе из-за обострения конфликтов на Ближнем Востоке. Также известно, что в апреле хакеры атаковали израильские опреснительные заводы.

Что люди делают в этом направлении, чтобы улучшить опреснение воды?

Несмотря на это, отрасль активно развивается. Современные мембраны становятся более эффективными и долговечными. Инженеры работают над системами рекуперации энергии, которые снижают затраты электричества. Все больше проектов сочетают опреснение с солнечной и ветровой энергетикой. Особенно активно такие решения внедряют в Саудовской Аравии, Марокко, Израиле и Австралии, отмечает International Energy Agency.

Также появляются экспериментальные технологии на основе графеновых мембран, наноматериалов и электрохимических процессов. Исследователи пытаются создать системы, которые будут работать с меньшими затратами энергии и производить меньше вредного рассола. Некоторые компании тестируют компактные мобильные установки для небольших городов или отдаленных районов.