MITと中国の技術者は、海に着想を得た装置によって海水を飲料水に変えることを目指しています。
この淡水化システムは、水道水よりも安く淡水を生成できる可能性があります
研究者らは、5～10年以内に商品化される可能性があり、乾燥地域や半乾燥地域に住む人々に淡水を供給できるようになる可能性があると考えています。
MITと中国の技術者は、海に着想を得た完全に受動的な装置によって海水を飲料水に変えることを目指しており、その動力は太陽光です。
本日、学術誌『Joule』に掲載された論文で、研究チームは、海水を取り込み、自然の日光で加熱する新しい太陽光淡水化システムの設計を示しています。
この装置の構造により、水は渦を巻くように循環します。これは、海洋の「熱塩循環」（サーモハリン循環）をはるかに小規模にしたものと似た仕組みです。この循環は太陽の熱と組み合わさって水の蒸発を促し、塩分は後に残ります。生じた水蒸気は凝縮させて、純粋な飲料水として回収できます。一方、残った塩分は装置内を循環して外へ出ていくため、蓄積して装置を詰まらせることはありません。
この新しいシステムは、現在試験が行われている他のすべての受動型太陽光淡水化技術と比べて、造水率と塩分排除率が高くなっています。
研究者らは、このシステムを小型スーツケースほどの大きさにスケールアップすれば、1時間あたり約4～6リットルの飲料水を生成でき、交換部品が必要になるまで数年間稼働できると試算しています。この規模と性能であれば、このシステムは水道水より安い速度と価格で飲料水を生成できる可能性があります。
「初めて、太陽光によって生成された水が水道水よりもさらに安くなる可能性があります」と、MITのデバイス研究所の研究科学者であるLenan Zhang氏は述べています。
研究チームは、スケールアップした装置であれば、小家族の1日の必要量を満たすのに十分な飲料水を受動的に生成できると構想しています。このシステムは、海水が容易に入手できる、送電網に接続されていない沿岸地域の共同体にも供給できる可能性があります。
Zhang氏の研究の共著者には、MITの大学院生であるYang Zhong氏、フォード記念工学教授のEvelyn Wang氏、そして中国の上海交通大学のJintong Gao氏、Jinfang You氏、Zhanyu Ye氏、Ruzhu Wang氏、Zhenyuan Xu氏が含まれます。
強力な対流
研究チームの新しいシステムは、同チームの以前の設計を改良したものです。これは、ステージと呼ばれる複数の層から成る、似た概念に基づいています。各ステージには、太陽の熱を利用して流入する水から塩分を受動的に分離する蒸発器と凝縮器が含まれていました。研究チームがMITの建物の屋上で試験したこの設計は、太陽のエネルギーを効率的に利用して水を蒸発させ、その後、凝縮させて飲料水にしていました。しかし、残った塩分が数日で結晶として急速に蓄積し、システムを詰まらせてしまいました。実際の環境では、利用者は頻繁にステージを交換する必要があり、それによってシステム全体のコストが大幅に増加してしまいます。
その後の取り組みでは、研究チームは解決策を考案しました。これは、同様の多層構造を採用しつつ、流入する水と残留塩分の両方を循環させる機能を追加したものです。この設計では、装置上で塩分が沈殿して蓄積することは防ぎましたが、淡水化の速度は比較的低いものでした。
最新の改良版では、研究チームは、高い造水率と高い塩分排除率の両方を実現する設計にたどり着いたと考えています。これにより、システムは長期間にわたり、迅速かつ確実に飲料水を生成できるようになるということです。新しい設計の鍵は、これまでの2つの概念を組み合わせたことにあります。蒸発器と凝縮器を多段に配置した構造に加え、各ステージ内で水と塩分の循環を促進するように構成されています。
「今回、海洋で一般的に見られるものと似ていますが、キロメートル規模でさらに強力な対流を導入しました」とXu氏は述べています。
研究チームの新しいシステムで生じる小規模な循環は、海洋の「熱塩」対流と似ています。これは、海水温（「熱」）と塩分濃度（「塩」）の違いに基づいて、世界中で水の移動を引き起こす現象です。
「海水が空気にさらされると、日光によって水が蒸発します。水が表面から離れると、塩分が残ります。そして塩分濃度が高いほど液体の密度は高くなり、この重い水は下方へ流れようとします」とZhang氏は説明します。「このキロメートル規模の現象を小さな箱の中で再現することで、この特性を利用して塩分を排除できます。」
ギブアップ
研究チームの新しい設計の中核は、薄い箱に似た単一のステージです。その上部は、太陽の熱を効率的に吸収する濃い色の素材で覆われています。箱の内部は上部と下部に分かれています。水は上半分を通過でき、そこの天井には蒸発層が張られています。この蒸発層は太陽の熱を利用して、直接接触している水を温め、蒸発させます。水蒸気はその後、箱の下半分へと導かれ、そこで凝縮層が水蒸気を空冷して、塩分を含まない飲用可能な液体にします。研究者らは、箱全体を大きな空の容器の中で傾けて設置し、箱の上半分から容器の底を通る管を取り付け、その容器を海水に浮かべました。
この構成では、水は管を通って自然に押し上げられ、箱の中に入ります。そこでは、箱の傾斜と太陽からの熱エネルギーが組み合わさることで、水は流れる間に渦を巻くようになります。小さな渦は、水を上部の蒸発層に接触させると同時に、塩分が沈殿して詰まるのではなく循環し続けるように働きます。
研究チームは、1、3、10ステージの複数のプロトタイプを製作し、天然の海水や7倍の塩分濃度の水を含む、さまざまな塩分濃度の水でその性能を試験しました。
これらの試験から、研究者らは、各ステージを1平方メートルにスケールアップした場合、1時間あたり最大5リットルの飲料水を生成でき、システムは塩分を蓄積させることなく数年間にわたって水を淡水化できると算出しました。この長い耐用年数と、システムが完全に受動的で運転に電力を必要としないという点を考慮すると、研究チームは、システムの運転にかかる総コストは、米国で水道水を生産するコストよりも安くなると試算しています。
「この装置が長寿命を実現できることを示しました」とZhong氏は述べています。「つまり、太陽光によって生成された飲料水が水道水よりも安くなる可能性が、初めて生まれたということです。これにより、太陽光淡水化を現実の問題の解決に活用できる可能性が開かれます。」
「これは非常に革新的なアプローチであり、淡水化分野の主要な課題を効果的に緩和するものです」と、テキサス大学オースティン校で持続可能な水とエネルギー貯蔵システムを開発しており、今回の研究には関与していないGuihua Yu氏は述べています。「この設計は、高塩分の水に苦労している地域にとって特に有益です。そのモジュール式設計は、家庭用の水生成に非常に適しており、拡張性と個々のニーズへの適応性を備えています。」
上海交通大学での本研究は、中国国家自然科学基金の支援を受けました。
