Oamenii de știință au transformat apa de mare în apă dulce fără a produce saramură dăunătoare

Peste 2,2 miliarde de oameni – mai bine de un sfert din populația planetei – nu au astăzi acces la apă potabilă sigură, conform datelor Organizației Națiunilor Unite. În fața crizelor repetate de secetă, regiuni întinse, din California până în inima Orientului Mijlociu, au fost nevoite să caute salvarea direct în ocean, prin uzine industriale de desalinizare.

Problema e că desalinizarea își lasă propria urmă. Osmoza inversă forțează apa prin membrane specializate pentru a îndepărta sarea, iar distilarea termică folosește căldura pentru a separa apa dulce de apa de mare. Ambele consumă cantități mari de energie, cer adesea tratarea apei înainte și după proces și produc un deșeu sărat foarte concentrat, numit saramură.

Deversată înapoi în ocean, saramura poate crește salinitatea locală și reduce nivelurile de oxigen, cu efecte dăunătoare pentru organismele marine.

O echipă de cercetători de la Institutul de Optică al Universității din Rochester a schimbat însă complet această abordare: a creat un sistem de desalinizare solar-termică capabil să producă apă dulce fără nicio picătură de saramură lichidă și fără aditivi chimici de pretratare. Metoda este descrisă într-un articol publicat în jurnalul științific Light: Science & Applications, iar cercetarea a fost condusă de Chunlei Guo, profesor de optică și fizică și cercetător principal la Laboratorul de Energetică Laser al Universității din Rochester.

Metal negru, sculptat cu impulsuri de o cvadrilionime de secundă

La baza tehnologiei stau panouri solare din metal negru tratat cu lasere de femtosecundă. O femtosecundă reprezintă o cvadrilionime dintr-o secundă – un interval atât de fulgerător încât o singură secundă raportată la el înseamnă echivalentul a aproape 32 de milioane de ani. Impulsurile acestor lasere ultra-rapide pot modifica cu precizie suprafața unui material, creând structuri microscopice care schimbă radical modul în care acesta interacționează cu lumina și cu apa.

Tratamentul face metalul extrem de eficient în absorbția razelor solare și îi dă în același timp proprietăți de super-absorbție: apa se răspândește rapid pe suprafață, în loc să se adune în picături.

Fiecare panou are o zonă activă tratată cu laser, care atrage pe suprafața sa un strat foarte subțire de apă de mare. Metalul întunecat absoarbe aproape toată radiația solară primită, încălzește apa și o face să se evapore.

Evaporarea lasă în urmă săruri și alte minerale dizolvate. În loc să le lase să se adune exact acolo unde are loc evaporarea, panoul le împinge către zonele netratate de pe laturi, cunoscute drept regiune pasivă.

Această mișcare contează, fiindcă acumularea de sare e una dintre cele mai mari provocări ale sistemelor solare de desalinizare. Dacă mineralele formează un strat dur pe suprafața activă, pot bloca mișcarea apei și, în cele din urmă, pot împiedica funcționarea sistemului.

Iluzia eprubetei: de ce apa de mare reală blochează filtrele

Guo a explicat că sistemele anterioare de desalinizare solar-termică au funcționat adesea bine în laborator, dar pe apă de mare artificială simplificată, obținută din apă și clorură de sodiu.

Când clorura de sodiu se cristalizează pe măsură ce apa se evaporă, formează o structură relativ granuloasă și poroasă. Apa poate continua să se miște prin aceste cristale, dizolvând sarea acumulată și ajutând suprafața să se curețe.

Apa de mare reală e mult mai complicată. Pe lângă clorura de sodiu, conține magneziu, calciu și multe alte substanțe dizolvate, iar unii dintre acești compuși se cristalizează în depuneri dure și dense, mult mai puțin poroase.

Seamănă cu depunerile minerale care se strâng treptat în interiorul unui cap de duș sau al unui ceainic. Dacă într-un ceainic se strâng treptat miligrame de calcar, într-un panou de desalinizare asaltul este masiv: apa de mare concentrează o cantitate de săruri de sute de ori mai densă decât apa menajeră. Pe măsură ce depunerile se adună, apa nu mai curge liber pe suprafață, eficiența scade și sistemul se înfundă.

Fizica petei de cafea: secretul autocurățării panourilor

Pentru a ocoli problema, echipa lui Guo a proiectat caneluri microscopice în metalul negru, astfel încât sărurile și mineralele să fie împinse departe de zona activă, în loc să formeze o crustă persistentă.

Cercetătorii au folosit și un fenomen fizic binecunoscut: „efectul inelului de cafea”. Pe măsură ce apa se evaporă, particulele suspendate se deplasează spre marginea picăturii și lasă în urmă un inel întunecat — exact ce rămâne pe masă după ce se usucă o cafea vărsată.

„Dacă verși cafea pe o suprafață, în cele din urmă apa se evaporă și rămâne un inel la marginea exterioară, format din particule concentrate de cafea. Folosim același principiu pentru a îndrepta sărurile către zona pasivă.”, a explicat Guo.

Mecanismul se bazează pe o diferență termică subtilă: apa se evaporă mai rapid la marginea mai subțire a peliculei lichide, generând un curent intern continuu care împinge mineralele dizolvate dinspre centrul fierbinte direct spre marginile reci, exact așa cum zațul de cafea este împins spre conturul exterior al unei pete uscate.

Testele s-au făcut cu apă de mare reală, colectată din Oceanele Pacific, Atlantic și Indian. În aceste experimente, suprafața s-a curățat efectiv singură în timp ce producea apă dulce, dirijând sărurile rămase către regiunea pasivă, de unde puteau fi colectate ulterior. Important: acumularea de minerale nu a redus eficiența de desalinizare a panoului.

De la deșeu toxic la mină de litiu

Adevărata schimbare de paradigmă începe însă după ce apa s-a evaporat. În locul milioanelor de litri de saramură lichidă toxică ce trebuie neutralizată sau aruncată înapoi în mare, panoul extrage aproape 100% din minerale sub formă solidă, uscată – transformând o problemă ecologică într-un zăcământ la vedere.

Materialul ar putea deveni o resursă. O parte ar putea fi folosită ca sare de masă, iar mineralele mai valoroase ar putea fi și ele recuperate.

Un obiectiv deosebit de important e litiul, material-cheie în bateriile litiu-ion care alimentează vehiculele electrice, smartphone-urile, laptopurile și multe alte dispozitive electronice. Într-un studiu conex publicat în Journal of Materials Chemistry A, Guo și colegii săi au arătat că aceleași panouri superabsorbante pot fi modificate pentru a separa litiul de celelalte săruri produse în timpul desalinizării. Cercetătorii au încorporat nanoparticule de titanat de hidrogen în canelurile microscopice ale metalului negru, iar aceste particule izolează selectiv litiul din amestecul de săruri și minerale.

„Extracția litiului din sol s-a dovedit a fi foarte solicitantă din punct de vedere energetic și al mediului, așa că extragerea litiului direct din apa sărată ar putea fi o cale foarte importantă pentru viitor”, a spus Guo.

Pe probe prelevate din Marele Lac Sărat, echipa a recuperat aproximativ 50% din litiul conținut în sărurile rămase după desalinizare. Rezultatul indică un viitor posibil în care instalațiile de desalinizare ar face mai mult decât apă potabilă: ar recupera și materiale valoroase comercial, care altfel rămân blocate în fluxurile de deșeuri.

Tehnologia e însă încă într-un stadiu incipient. Până acum, cercetătorii au demonstrat desalinizarea prin super-absorbție în experimente de validare a conceptului, pe dispozitive relativ mici. Guo a afirmat că proiectul de bază este scalabil prin natura sa și ar putea contribui, în cele din urmă, atât la extinderea accesului la apă dulce, cât și la crearea unor surse mai durabile de minerale valoroase.

Dacă va trece proba scării industriale, tehnologia dezvoltată la Rochester nu va oferi doar apă potabilă unei lumi tot mai însetate, ci ar putea redefini însăși ideea de sustenabilitate: transformarea oceanului dintr-o ecuație ecologică riscantă într-un circuit închis, unde fiecare picătură dulce lasă în urmă nu o otravă pentru viața marină, ci resursele vitale ale tranziției energetice.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU