Инженеры модернизируют древние солнечные технологии для очистки воды, добиваясь почти идеальной эффективности

10 мая 2018



Использовать энергию солнца для испарения и очистки воды — очень древняя идея. Греческий философ Аристотель, как сообщается в некоторых источниках, описал этот процесс более чем 2000 лет назад. Сейчас ученые пытаются перенести эту технологию в современную эпоху, чтобы использовать ее для дезинфекции воды. Согласно заявлению исследователей изобретение побьет все рекорды по эффективности. Технология заключается в использовании черной, углеродистой бумаги в треугольной форме для поглощения и испарения воды с помощью солнечного света.

Новая технология очистки воды включает драпировку листа насыщенной углеродом бумаги в перевернутое «V.» Нижние края бумаги поглощают воду, а углеродное покрытие поглощает солнечную энергию и превращает ее в тепло для испарения.

«Наша технология дает возможность производить питьевую воду более быстрыми темпами, чем это теоретически возможно при использовании естественного солнечного света», — говорит ведущий исследователь Киаокианг Ган, доктор философии, адъюнкт-профессор электротехники в Университете Школы инженеров и прикладных наук Буффало. «Обычно, когда солнечная энергия используется для испарения воды, часть ее теряется, поскольку тепло уходит в окружающую среду, что делает процесс далеко не на 100% эффективным. Наша система оснащена простой системой защиты тепла от окружающей среды, что позволяет нам достичь почти идеальной эффективности», — поясняет Ган.

Такая система очистки — это не водоподготовка для лабораторий или производств. Но данная низкозатратная технология может обеспечить людей питьевой водой в регионах, где водные ресурсы недостаточны или где происходят стихийные бедствия. Результаты исследования опубликованы 3 мая 2018 в журнале Advanced Science. Проект, финансируется Национальным научным фондом (NSF) в сотрудничестве с Университетом Фудань в Китае и Университетом Висконсин-Мэдисон. Первыми авторами исследования были аспирант Хаомин Сонг и кандидат технических наук Йохо Лу. Ган, Сонг и другие коллеги запустили стартап «Sunny Clean Water», чтобы донести свое изобретение до людей, которые в этом нуждаются. Благодаря поддержке программы NSF Small Business Innovation Research, компания интегрирует новую систему испарения в прототип солнечного водоочистителя. «Когда вы разговариваете с государственными чиновниками или некоммерческими организациями, работающими в зонах бедствия, они спрашивают: „Сколько воды вы можете генерировать каждый день?“ У нас есть стратегия повышения ежедневной производительности», — говорит Сонг. «По нашим оценкам, с солнечным дистиллятором размером с мини-холодильник, можно генерировать от 10 до 20 литров чистой воды».

Солнечные дистилляторы имеют длительный срок эксплуатации. Эти устройства используют солнечную энергию для испарения воды, избавляя ее от солей, бактерий и грязи. Водяной пар охлаждается и возвращается в жидкое состояние, после чего вода собирается в чистый контейнер. Данная техника имеет массу преимуществ. Это просто, и источник питания — солнце — доступен практически везде. Но, к сожалению, даже самые современные солнечные модели все еще недостаточно эффективны при испарении воды. Команда Ган решила проблему с помощью ловкого и на первый взгляд нелогичного трюка: они повысили эффективность своей системы испарения, охладив ее.

Центральным компонентом их технологии является лист из углеродистой бумаги, который складывается в форму перевернутой «V», или в форму крыши скворечника. Нижние края бумаги висят в бассейне с водой, впитывая жидкость, как салфетка. В это время темное углеродное покрытие поглощает солнечную энергию и превращает ее в тепло для испарения. Как объясняет Ган, наклонная геометрия бумаги сохраняет ее прохладу, ослабляя интенсивность солнечного света, освещающего ее. (Плоская поверхность попала бы под прямые солнечные лучи.) Благодаря тому, что большая часть бумаги с углеродным покрытием остается комнатной температуры, она поглощает тепло из окружающей области, компенсируя регулярную потерю солнечной энергии, которая возникает во время испарения.

Используя эту установку, исследователи выпаривали примерно 2,2 литра воды в час на каждый квадратный метр площади, освещенной обычным солнцем, что выше теоретического верхнего предела, составляющего 1,68 литра. Команда провела свои тесты в лаборатории, используя солнечный симулятор для генерации света при интенсивности равной интенсивности обычного солнца.

«Большинство групп, работающих над созданием солнечных технологий испарения, пытаются разработать передовые материалы, такие как плазмоны металлов и углеродные наноматериалы», — говорит Ган. «Мы сосредоточились на использовании крайне недорогих материалов, и, несмотря на это, способны достичь рекордных показателей». Важно отметить, что это единственный пример, когда тепловая эффективность процесса испарения солнечной энергии составляет 100 процентов от затраченной солнечной энергии. Разрабатывая метод, в котором пар находится ниже температуры окружающей среды, мы создаем новые возможности для исследования альтернатив высокотемпературному парообразованию".