Woda dzięki słońcu

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

W coraz gorętszym i gęściej zaludnionym świecie czysta woda staje się prawdziwym skarbem. Przewiduje się, że już w roku 2025 dwie trzecie ludności świata może mieć problemy z dostępem do świeżej wody. Jednym z pomysłów na zaspokojenie globalnego pragnienia jest odsalanie i oczyszczanie wody morskiej oraz wód gruntowych.

Niestety, obecnie budowa dużej instalacji do odsalania wody kosztuje wiele milionów dolarów. W większości układy te wykorzystują zjawisko odwrotnej osmozy, które polega na przepuszczaniu wody morskiej przez membranę zatrzymującą sól. Proces ten pochłania duże ilości energii, która odpowiada połowie kosztów eksploatacji. Dodatkowo jego produktem ubocznym jest zagęszczona solanka, która stanowi zagrożenie dla lokalnych ekosystemów. Zazwyczaj zakłady odsalania wody czerpią energię pochodzącą z paliw kopalnych, a więc powodują emisję węgla do atmosfery. W niektórych regionach (przede wszystkim na Bliskim Wschodzie, w Azji i Afryce) jako źródło energii wykorzystuje się panele fotowoltaiczne, ale i one mają swoje wady, nie rozwiązując problemu toksycznych produktów ubocznych.

Badacze zaczęli więc szukać sposobu, który pozwoliłby bezpośrednio wykorzystać ciepło słoneczne do odsalania i oczyszczania wody. Najprostszą metodą jest odparowanie, a następnie skroplenie wody, dzięki czemu oddziela się ją od zanieczyszczeń chemicznych. To rozwiązanie zwane destylacją słoneczną ludzie wykorzystują już od setek lat. W Arabii Saudyjskiej powstaje obecnie instalacja do odsalania z gigantycznymi zwierciadłami, które będą skupiać światło słoneczne na kopule ze szkła i stali o rozmiarach zbliżonych do boiska piłkarskiego, powodując przegrzanie tłoczonej do środka wody morskiej.

Badacze sięgają po nowoczesne materiały i rozwiązania konstrukcyjne, aby urządzenia do odsalania stały się tańsze, prostsze i przenośne, a więc łatwo dostępne na całym świecie. „W krajach rozwijających się występuje ogromne zapotrzebowanie na czystą wodę – podkreśla Naomi Halas, inżynierka elektryczka i informatyczka z Rice University. – Zastosowanie technologii solarno-termicznej powinno zmniejszyć zapotrzebowanie na energię niezbędną do odsalania, a także umożliwić pracę urządzeń w miejscach, gdzie nie ma dostępu do sieci energetycznej.”

Wkrótce Departament Energii Stanów Zjednoczonych ogłosi listę półfinalistów w zorganizowanym przez siebie konkursie Solar Desalination Prize. Zadanie polega na skonstruowanie systemu zdolnego dostarczać 1000 l wody zdatnej do picia w cenie 1,50 dolara. „Obecnie żadna dostępna technika odsalania nie może sprostać temu wymaganiu” – przyznaje Qilin Li, inżynierka środowiska z Rice University.

Craig Turchi z podległego Departamentu Energii National Renewable Energy Laboratory wyjaśnia, że powstanie takich systemów pozwoliłoby wyeliminować największe wady układów odwrotnej osmozy: wydajność oczyszczania słonej wody jest w nich zbliżona do 50%, a rosnące stężenie soli po brudnej stronie membrany powoduje zatykanie porów. Powstająca jako produkt uboczny procesu szkodliwa dla środowiska solanka, jest odprowadzana do morza lub podziemnych zbiorników. Solarno-termiczne systemy odsalania mogłyby oczyszczać wodę, w której stężenie soli jest co najmniej dwa razy wyższe niż w wodzie morskiej. Meghan Hughes, rzeczniczka Departamentu Energii, wyjaśnia, że można będzie wykorzystać solanki wytwarzane w układach odwrotnej osmozy, zasolone wody gruntowe występujące na przykład na południowym zachodzie Stanów Zjednoczonych oraz niektóre ścieki przemysłowe i rolnicze, z którymi odwrotna osmoza sobie nie radzi. „Regułą jest, że tylko technologie termiczne, jak te, które chcemy rozwinąć dzięki temu programowi, pozwalają oczyszczać wodę o tak dużym zasoleniu.”

Li, Halas i ich współpracownicy zbudowali już prototypowe urządzenie do odsalania z plastikową, porowatą membraną, która przepuszcza parę wodną, ale zatrzymuje ciecz. Jedną jej stronę pokrywają malutkie drobiny węgla, które, absorbując promieniowanie słoneczne, ogrzewają się i powodują parowanie zasolonej wody. Para przechodzi na drugą stronę membrany, gdzie ulega skropleniu w czystą wodę. Niedawno zespół Halas poprawił o 50% wydajność, dodając plastikowe soczewki, które ogniskują światło słoneczne na membranie i zwiększają ilość wydzielanego ciepła.

Badacze przewidują, że ulepszając urządzenie o powierzchni metra kwadratowego, które dziś dostarcza 20 l wody na godzinę, w ciągu paru lat osiągną granicę kosztów wyznaczoną przez Departament Energii. „Mamy forda Model T; do mustanga trochę brakuje – przyznaje Halas. – Dobrze jednak, że zaczynamy wzbudzać zainteresowanie biznesu”.

David Jassby, profesor inżynierii środowiskowej z University of California w Los Angeles, razem z zespołem, zbudował podobny układ, dodatkowo integrując membranę z materiałem przewodzącym ciepło. Badacze użyli siatki aluminiowej z drobnymi oczkami, która jest ogrzewana przez promieniowanie słoneczne. „Zastosowana struktura pozwala zmniejszyć powierzchnię eksponowaną na słońce i zwijać membranę w spiralne moduły” – wyjaśnia. Testy wykazały, że urządzenie zainstalowane na dachu dostarcza w ciągu godziny 8 l czystej wody w przeliczeniu na metr kwadratowy membrany.

Opisane układy można przekształcić w niewielkie stacje odsalania dla społeczności mieszkających poza zasięgiem systemów energetycznych, wiosek w Azji lub Afryce, wspólnot na południowym zachodzie Stanów Zjednoczonych, gdzie wody gruntowe są zasolone, albo używać ich jako sprzętu awaryjnego w dowolnym innym miejscu. Lenan Zhang, doktorant z laboratorium inżynierii mechanicznej Evelyn Wang w Massachusetts Institute of Technology, przekonuje, że trzeba pójść dalej i efektywniej wykorzystywać ciepło do wytwarzania pary.

W zespole Wang zmierzamy w tym kierunku, „wykorzystując energię wiele razy”, wyjaśnia Zhang. Badacze zbudowali stos z 10 nylonowych ram, z których każda zawiera czarną warstwę, absorbującą promieniowanie słoneczne, ręcznik papierowy i folię aluminiową. Pochłaniając ciepło, czarna warstwa powoduje odparowanie zasolonej wody, którą nasiąka ręcznik; para skrapla się na folii aluminiowej, oddając ciepło, które nie ulega rozproszeniu, ale dociera do następnej warstwy ręcznika, wspomagając parowanie. W ten sposób układ zbudowany kosztem 100 dolarów dostarcza prawie 6 l wody na godzinę. Zhang przekonuje, że zastosowanie bardziej wyrafinowanych materiałów i optymalizacja układu powinna tę wydajność podwoić.

Inny intrygujący pomysł polega na nawilżaniu suchego gorącego powietrza przepływającego przez aerozol ze słonej wody. „Powietrze absorbuje i zabiera wodę, a sól pozostaje na miejscu” – wyjaśnia Bahman Abbasi, inżynier mechanik z Oregon State University. W jego układzie promieniowanie słoneczne ogrzewa i spręża mieszaninę słonej wody i powietrza, która jest następnie wyrzucana przez szybko wirujące dysze. Sól i inne zanieczyszczenia stałe na skutek siły odśrodkowej osadzają się na ściankach komory, a nawilżone powietrze unosi się w górę i trafia do skraplacza. Testy wykazały, że urządzenie wielkości plecaka nadaje się do oczyszczania wody o zasoleniu trzy razy większym niż w przypadku wody morskiej, dostarczając około 20 l wody na godzinę.

Wszystkie te stosunkowo tanie technologie mają szansę otworzyć nowe rynki na przenośne i niezależne od sieci energetycznej urządzenia do oczyszczania wody. Turchi przewiduje, że w dalszej kolejności mogą nawet powstać potężne instalacje solarno-termiczne, zdolne zaopatrywać całe miasta w wodę pitną. Na razie „będą uzupełniać systemy odwrotnej osmozy; są niezastąpione w niszowych aplikacjach, gdzie odwrotnej osmozy nie da się wykorzystać”.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża wyselekcjonowane badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.