Um das Problem einer nachhaltigen Frischwasserversorgung zu lösen, haben Forscher in den letzten Jahren viele solare Entsalzungssysteme entwickelt. Eine häufig auftretende Schwierigkeit ist jedoch die Ansammlung von Salz, das das System verstopfen und die Wasserproduktionsrate beeinträchtigen kann. Um dieses Problem zu lösen, ließen sich Forscher am MIT und der Shanghai Jiao Tong University von einem natürlichen Phänomen inspirieren: wie Tiefseeströmungen durch Unterschiede in der Dichte des Meerwassers angetrieben werden, ein Prozess, der als thermohaline Zirkulation bekannt ist.
Forscher haben ein neues solarbetriebenes Entsalzungssystem entwickelt, das große Mengen Trinkwasser produzieren kann und eine vom Meer inspirierte Technologie nutzt, um Salzverstopfungen zu vermeiden. Wenn das System erweitert wird, kann es ausreichend Trinkwasser bereitstellen, um den täglichen Bedarf einer kleinen Familie zu decken.
Das neue System der Forscher verbessert ihr bisheriges Design, ein ähnliches Konzept, das aus mehreren Schichten, sogenannten „Stufen“, besteht. Jede Stufe enthält einen Verdampfer und einen Kondensator, die mithilfe von Sonnenlicht passiv Salze aus dem einströmenden Wasser trennen. Obwohl es Sonnenenergie effektiv nutzt, um Wasser zu verdampfen, kann es aufgrund von Salzablagerungen nach einigen Tagen zu Verstopfungen kommen. Daher versuchten die Forscher eine thermohaline Zirkulationsmethode, um die Salzansammlung zu mildern.
Die neu gestaltete einstufige Einheit sieht aus wie ein dünner Kasten, der mit einem dunklen Material bedeckt ist, das die Sonnenwärme absorbiert. Das Innere der Box ist in Ober- und Unterteil unterteilt. Durch den oberen Bereich fließt Wasser, und eine Schicht von Verdampfern in der Decke nutzt die Sonnenwärme, um das Wasser im direkten Kontakt damit zu erhitzen und zu verdampfen. Der Wasserdampf wird in die untere Hälfte transportiert und die Kondensatorschicht kühlt den Wasserdampf luftgekühlt zu salzfreiem Trinkwasser.
Der gesamte Kasten ist geneigt und die Sonnenwärme erzeugt beim Durchströmen des Wassers Wirbel. Diese Bewegung trägt dazu bei, dass Wasser mit der oberen Verdunstungsschicht in Kontakt kommt, während gleichzeitig die Salzzirkulation aufrechterhalten wird und Salzausfällungen und -verstopfungen verhindert werden.
Xu Zhenyuan, einer der entsprechenden Autoren der Studie, sagte: „Wir haben jetzt eine stärkere Konvektion eingeführt, die der kilometerlangen Konvektion ähnelt, die wir normalerweise im Ozean sehen. Wenn Meerwasser der Luft ausgesetzt wird, verdunstet das Meerwasser durch Sonnenlicht. Sobald das Meerwasser die Meeresoberfläche verlässt, bleibt das Salz zurück. Je höher die Salzkonzentration, desto dichter ist die Flüssigkeit und dieses schwerere Wasser fließt nach unten. Durch die Simulation dieses Phänomens im Kilometermaßstab in [a] klein.“ Box können wir diese Funktion nutzen, um das Salz abzuwehren.“
Die Forscher fanden heraus, dass ihr System in Umgebungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen Süßwasser produzieren kann, von natürlichem Meerwasser bis hin zu Wasser, das siebenmal salzhaltiger ist. Auf die Größe eines kleinen Koffers vergrößert, könnte das System 4 bis 6 Liter (1,1 bis 1,6 Gallonen) Wasser pro Stunde produzieren und mehrere Jahre halten, bevor Teile ausgetauscht werden müssten, sagten sie.
Die Gesamtkosten für den Betrieb des Systems werden niedriger sein als die Kosten für die Herstellung von Leitungswasser in den Vereinigten Staaten, da es eine hohe Wasserproduktionsrate, einen hohen Salzrückhalt, eine lange Lebensdauer und die Tatsache hat, dass es solarbetrieben ist und keinen Strom benötigt, sagten die Forscher.
Yang Zhong, Co-Autor des Studienberichts, sagte: „Unsere Forschung zeigt, dass diese Art von Ausrüstung eine lange Lebensdauer erreichen kann. Das bedeutet, dass mit Sonnenlicht erzeugtes Trinkwasser erstmals billiger sein könnte als Leitungswasser. Dies bietet die Möglichkeit, praktische Probleme durch solare Meerwasserentsalzung zu lösen.“
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Joule veröffentlicht.