В статье, опубликованной сегодня в журнале Joule, команда инженеров описывает конструкцию новой солнечной опреснительной системы, которая принимает соленую воду и нагревает ее с помощью естественного солнечного света.

Конфигурация устройства позволяет воде циркулировать в вихревых потоках, подобно гораздо более крупной «термохалинной» циркуляции в океане. Эта циркуляция в сочетании с солнечным теплом заставляет воду испаряться, оставляя после себя соль. Образовавшийся водяной пар может быть сконденсирован и собран в виде чистой воды, пригодной для питья. При этом остатки соли продолжают циркулировать через устройство и выходить из него, а не накапливаются и не засоряют систему.

Новая система имеет более высокую скорость производства воды и более высокую скорость отвода солей, чем все другие пассивные солнечные опреснители, испытываемые в настоящее время.

По оценкам исследователей, при масштабировании системы до размеров небольшого чемодана она сможет производить от 4 до 6 литров питьевой воды в час и прослужит несколько лет, прежде чем потребует замены деталей. При таких масштабах и производительности система может производить питьевую воду со скоростью и по цене дешевле, чем водопроводная вода.

Впервые возможно, что вода, получаемая с помощью солнечного света, будет даже дешевле водопроводной, — говорит Ленан Чжан, научный сотрудник Лаборатории исследования устройств Массачусетского технологического института.

По замыслу команды, масштабируемое устройство может пассивно производить достаточное количество питьевой воды для удовлетворения ежедневных потребностей небольшой семьи. Система также может обеспечивать питьевой водой автономные прибрежные населенные пункты, где морская вода легко доступна.

Среди соавторов исследования Чжана — аспирант MIT Ян Чжун, профессор инженерных наук Форда Эвелин Ванг, а также Джинтонг Гао, Джинфанг Ю, Чжаню Йе, Ружу Ванг и Чжэньюань Сю из Шанхайского университета Цзяо Тун (Китай).

Мощная конвекция

Новая система команды усовершенствована по сравнению с предыдущей разработкой — аналогичной концепцией нескольких слоев, называемых ступенями. Каждая ступень содержала испаритель и конденсатор, которые использовали солнечное тепло для пассивного отделения соли от поступающей воды. Такая конструкция, испытанная на крыше здания Массачусетского технологического института, эффективно использовала солнечную энергию для испарения воды, которая затем конденсировалась и превращалась в питьевую воду. Однако оставшаяся соль быстро накапливалась в виде кристаллов, которые через несколько дней засоряли систему. В реальных условиях пользователю пришлось бы часто устанавливать ступени, что значительно увеличило бы общую стоимость системы.

В ходе дальнейшей работы было разработано решение с аналогичной многослойной конфигурацией, но с дополнительной функцией циркуляции поступающей воды, а также остатков соли. Хотя такая конструкция не позволяла соли оседать и накапливаться на устройстве, скорость опреснения воды была относительно низкой.

В последней версии проекта, по мнению специалистов, удалось создать конструкцию, обеспечивающую высокую скорость производства воды и высокий уровень отвода солей, что позволяет быстро и надежно производить питьевую воду в течение длительного времени. Ключевым моментом новой конструкции является сочетание двух предыдущих концепций: многоступенчатой системы испарителей и конденсаторов, которая также настроена на усиление циркуляции воды — и соли — внутри каждой ступени.

Теперь мы представляем еще более мощную конвекцию, похожую на ту, что мы обычно наблюдаем в океане, в километровых масштабах, — говорит Сюй.

Малые циркуляции, создаваемые в новой системе, аналогичны «термохалинной» конвекции в океане — явлению, которое определяет движение воды по всему миру, основанное на различиях в температуре моря („термо“) и солености („галин“).

Когда морская вода находится под воздействием воздуха, солнечный свет заставляет воду испаряться. После того как вода покидает поверхность, остается соль. Чем выше концентрация соли, тем плотнее жидкость, и эта более тяжелая вода стремится стечь вниз, — поясняет Чжан.

Имитируя это километровое явление в маленькой коробочке, мы можем использовать эту особенность для отвода соли.

Отвод воды

Сердцем новой конструкции команды является одна ступень, напоминающая тонкую коробку, покрытую темным материалом, который эффективно поглощает солнечное тепло. Внутри коробка разделена на верхнюю и нижнюю части. В верхней части вода может протекать через потолок, где расположен испаритель, использующий солнечное тепло для нагрева и испарения воды, находящейся в непосредственном контакте с ним. Затем водяной пар попадает в нижнюю половину бокса, где конденсационный слой охлаждает его воздухом, превращая в бессолевую жидкость, пригодную для питья. Исследователи установили всю коробку под наклоном в больший пустой сосуд, затем присоединили трубку от верхней половины коробки вниз через дно сосуда и погрузили сосуд в соленую воду.

При такой конфигурации вода естественным образом поднимается по трубе и попадает в коробку, где под действием наклона коробки и тепловой энергии солнца происходит завихрение воды. Небольшие вихревые потоки способствуют контакту воды с верхним испаряющимся слоем, при этом соль циркулирует, а не оседает и не засоряется.

Группа создала несколько прототипов с одной, тремя и десятью ступенями и протестировала их работу в воде различной солености, включая природную морскую воду и воду в семь раз более соленую.

По результатам испытаний было рассчитано, что при увеличении площади каждой ступени до одного квадратного метра можно будет получать до 5 л питьевой воды в час, а система сможет опреснять воду без накопления солей в течение нескольких лет. Учитывая такой длительный срок службы, а также тот факт, что система полностью пассивна и не требует электроэнергии для работы, по оценкам специалистов, общая стоимость эксплуатации системы будет дешевле, чем стоимость производства водопроводной воды в США.

Мы показали, что это устройство способно работать в течение длительного времени, — говорит Чжун.

Это означает, что впервые питьевая вода, получаемая с помощью солнечного света, может быть дешевле водопроводной. Это открывает возможность использования солнечного опреснения для решения реальных проблем.