Океаны содержат основной объем воды на планете, однако из-за высокой солености она непригодна для питья. Существующие технологии опреснения позволяют очистить морскую воду и сделать ее пригодной для употребления, но этот процесс требует значительных затрат энергии. Ученые, о которых сообщается в ACS Energy Letters, разработали похожий на губку материал с длинными микроскопическими воздушными карманами. С помощью солнечного света и пластиковой крышки материал превращает солёную воду в пресную. Использование естественного солнечного света позволило успешно получить питьевую воду в ходе полевых испытаний, что открывает путь к созданию устойчивой технологии опреснения, требующей минимальных затрат энергии.
Ранее ученые уже разрабатывали пористые материалы, использующие солнечную энергию – возобновляемый источник – для очистки или опреснения воды. Например, гидрогель, напоминающий мочалку для тела, с полимерами внутри пор был протестирован на воде, загрязнённой хромом. При нагревании на солнце гидрогель быстро выделял чистый водяной пар. Но если гидрогели мягкие и наполнены жидкостью, то аэрогели более жёсткие и содержат твёрдые поры, которые могут транспортировать воду или водяной пар. Аэрогели тестировались в качестве средства для опреснения воды, но их эффективность в этом процессе ограничена скоростью испарения, которая снижается по мере увеличения размера материала. Поэтому Си Шэнь и его коллеги решили создать пористый аэрогель для опреснения воды, который сохранял бы свою эффективность при разных размерах.
Созданная исследователями паста, включающая углеродные нанотрубки и целлюлозные нановолокна, была напечатана методом 3D-печати на охлажденной поверхности. Каждый слой давали затвердеть перед нанесением следующего, что позволило получить пористый материал с равномерно распределёнными микроскопическими вертикальными отверстиями, диаметр которых составлял приблизительно 20 микрометров. Для оценки свойств материала были протестированы квадратные образцы, ширина которых варьировалась от 1 см до 8 см, и было установлено, что более крупные образцы демонстрируют такую же эффективность испарения воды, как и образцы меньшего размера.
В рамках полевого эксперимента исследователи расположили материал в емкости с морской водой и накрыли ее изогнутой прозрачной пластиковой крышкой. Под воздействием солнечного света верхний слой пористого материала нагревался, приводя к испарению воды без растворенных солей и образованию водяного пара. Этот пар конденсировался на пластиковой крышке, образуя жидкость, которая затем перемещалась к краям и стекала в воронку и контейнер, расположенные под чашкой. За 6 часов, при естественном солнечном освещении, система позволила получить примерно 3 столовые ложки питьевой воды.
«По словам Шена, наш аэрогель обеспечивает полное опреснение в установках любого размера. Это простое и масштабируемое решение для получения чистой воды без затрат энергии».
[Фото: аdapted from ACS Energy Letters 2025, DOI: 10.1021/acsenergylett.5c01233 ]