Odsoľovací systém by mohol vyrábať sladkú vodu, ktorá je lacnejšia ako voda z vodovodu.
Inžinieri na MIT a v Číne sa snažia premeniť morskú vodu na pitnú vodu pomocou úplne pasívneho zariadenia, ktoré je inšpirované oceánom a poháňané slnkom. V článku, ktorý vyšiel v časopise Joule, tím načrtáva návrh nového solárneho odsoľovacieho systému, ktorý prijíma slanú vodu a ohrieva ju prirodzeným slnečným svetlom. Konfigurácia zariadenia umožňuje, aby voda cirkulovala vo vírivých prúdoch podobne ako v oveľa väčšom „termohalinnom“ obehu v oceáne. Táto cirkulácia v kombinácii so slnečným teplom poháňa vodu k odparovaniu a zanecháva za sebou soľ. Vzniknutá vodná para sa potom môže kondenzovať a zhromažďovať ako čistá pitná voda. Zvyšky soli medzitým naďalej cirkulujú cez zariadenie a von z neho, namiesto toho, aby sa hromadili a upchávali systém.
Nový systém má vyššiu mieru produkcie vody a vyššiu mieru odstraňovania soli ako všetky ostatné v súčasnosti testované koncepcie pasívneho solárneho odsoľovania. Výskumníci odhadujú, že ak sa systém zväčší na veľkosť malého kufríka, mohol by produkovať približne 4 až 6 litrov pitnej vody za hodinu a vydržať niekoľko rokov, kým si vyžiada výmenu dielov. Pri takomto rozsahu a výkone by systém mohol vyrábať pitnú vodu za cenu, ktorá je lacnejšia ako voda z vodovodu. „Prvýkrát je možné, aby voda vyrobená slnečným svetlom bola dokonca lacnejšia ako voda z vodovodu,“ hovorí Lenan Zhang, vedecký pracovník v laboratóriu MIT pre výskum zariadení. Tím predpokladá, že zväčšené zariadenie by mohlo pasívne vyrábať dostatok pitnej vody na uspokojenie denných potrieb malej rodiny. Systém by mohol zásobovať aj pobrežné komunity mimo siete, kde je morská voda ľahko dostupná.
Nový systém tímu vylepšuje ich predchádzajúci návrh – podobný koncept viacerých vrstiev, tzv. stupňov. Každý stupeň obsahoval výparník a kondenzátor, ktoré využívali teplo zo slnka na pasívne oddelenie soli od prichádzajúcej vody. Táto konštrukcia, ktorú tím testoval na streche budovy MIT, účinne premieňala slnečnú energiu na odparovanie vody, ktorá sa potom kondenzovala na pitnú vodu. Soľ, ktorá zostala, sa však rýchlo nahromadila v podobe kryštálov, ktoré po niekoľkých dňoch systém upchali. V reálnom prostredí by používateľ musel často umiestňovať stupne, čo by výrazne zvýšilo celkové náklady systému. V ďalšom úsilí navrhli riešenie s podobnou vrstvenou konfiguráciou, tentoraz s pridanou funkciou, ktorá pomáhala cirkulovať prichádzajúcu vodu, ako aj všetky zvyšky soli. Hoci táto konštrukcia zabraňovala usadzovaniu a hromadeniu soli na zariadení, odsoľovala vodu relatívne nízkou rýchlosťou.
V najnovšej iterácii tím verí, že sa mu podarilo dosiahnuť dizajn, ktorý dosahuje vysokú rýchlosť výroby vody a zároveň vysokú mieru odstraňovania soli, čo znamená, že systém dokáže rýchlo a spoľahlivo vyrábať pitnú vodu počas dlhšieho obdobia. Kľúčom k ich novému návrhu je kombinácia ich dvoch predchádzajúcich koncepcií: viacstupňový systém odparovačov a kondenzátorov, ktorý je tiež nakonfigurovaný tak, aby zvyšoval cirkuláciu vody (a soli) v každom stupni. „Teraz zavádzame ešte silnejšiu konvekciu, ktorá je podobná tomu, čo bežne vidíme v oceáne, v kilometrovom meradle,“ hovorí Xu. Malé cirkulácie vytvárané v novom systéme tímu sú podobné „termohalinnej“ konvekcii v oceáne – javu, ktorý poháňa pohyb vody po celom svete na základe rozdielov v teplote mora („termo“) a slanosti („haline“).
„Keď je morská voda vystavená pôsobeniu vzduchu, slnečné svetlo poháňa vodu k vyparovaniu. Keď voda opustí hladinu, zostane na nej soľ. A čím je koncentrácia soli vyššia, tým je kvapalina hustejšia a táto ťažšia voda chce prúdiť smerom nadol,“ vysvetľuje Zhang. „Napodobnením tohto kilometrového javu v malom boxe môžeme túto vlastnosť využiť na odmietanie soli.“ Základom novej konštrukcie tímu je jeden stupeň, ktorý pripomína tenkú škatuľu, zakončenú tmavým materiálom, ktorý účinne absorbuje slnečné teplo. Vo vnútri je škatuľa rozdelená na hornú a dolnú časť. Voda môže prúdiť cez hornú polovicu, kde je strop obložený výparníkovou vrstvou, ktorá využíva slnečné teplo na ohrievanie a odparovanie akejkoľvek vody v priamom kontakte. Vodná para sa potom odvádza do spodnej polovice boxu, kde kondenzačná vrstva vzduchom ochladzuje paru na pitnú tekutinu bez soli. Výskumníci umiestnili celú škatuľu naklonenú vo väčšej prázdnej nádobe, potom pripojili trubicu z hornej polovice škatule dole cez dno nádoby a nádobu ponorili do slanej vody.
V takejto konfigurácii sa voda môže prirodzene tlačiť cez rúrku nahor a do škatule, kde náklon škatule v kombinácii s tepelnou energiou zo slnka spôsobuje vírenie vody pri jej prúdení. Malé víry pomáhajú privádzať vodu do kontaktu s hornou odparovacou vrstvou a zároveň udržiavajú cirkuláciu soli, namiesto toho, aby sa usadzovala a zanášala. Tím zostrojil niekoľko prototypov s jedným, tromi a desiatimi stupňami a testoval ich výkon vo vode s rôznou slanosťou vrátane prírodnej morskej vody a vody sedemkrát slanšej. Na základe týchto testov výskumníci vypočítali, že ak by sa každý stupeň zväčšil na meter štvorcový, vyprodukoval by až 5 litrov pitnej vody za hodinu a že systém by mohol odsoľovať vodu bez hromadenia soli niekoľko rokov. Vzhľadom na túto predĺženú životnosť a skutočnosť, že systém je úplne pasívny a na prevádzku nepotrebuje elektrickú energiu, tím odhaduje, že celkové náklady na prevádzku systému by boli lacnejšie ako náklady na výrobu vody z vodovodu v Spojených štátoch.
„Ukázali sme, že toto zariadenie je schopné dosiahnuť dlhú životnosť,“ hovorí Zhong. „To znamená, že po prvýkrát je možné, aby pitná voda vyrobená slnečným svetlom bola lacnejšia ako voda z vodovodu. To otvára možnosť solárneho odsoľovania na riešenie reálnych problémov.“ „Ide o veľmi inovatívny prístup, ktorý účinne zmierňuje kľúčové problémy v oblasti odsoľovania,“ hovorí Guihua Yu, ktorý vyvíja udržateľné systémy skladovania vody a energie na Texaskej univerzite v Austine a na výskume sa nepodieľal. „Tento dizajn je obzvlášť prospešný pre regióny, ktoré zápasia s vysokou slanosťou vody. Vďaka svojej modulárnej konštrukcii je veľmi vhodný na výrobu vody pre domácnosti, umožňuje škálovateľnosť a prispôsobiteľnosť individuálnym potrebám.“ Financovanie výskumu na Šanghajskej univerzite Jiao Tong podporila Nadácia pre prírodné vedy Číny.