新しい携帯型装置により、水から塩分を取り除いて飲料水を作る作業が大幅に容易になる可能性がある。
この装置は携帯電話の充電器より少ない電力で動作し、小型のソーラーパネルで稼働させることもできる。
従来の装置ではフィルターが必要だが、この装置は電力を使って塩分を取り除く。
他の装置は、フィルターに水を通すための高圧ポンプが必要で、小型化が難しい。
この新装置は、小さな島の地域社会や貨物船など、資源が著しく限られた場所で役立つ可能性がある。
MITの研究者らは、重さ10キログラム未満で、粒子や塩分を取り除いて飲料水を作る携帯型海水淡水化装置を開発した。
スーツケースほどの大きさのこの装置は、携帯電話の充電器より少ない電力で動作し、オンラインで約50ドルで購入できる小型の携帯型ソーラーパネルでも稼働させられる。世界保健機関（WHO）の水質基準を上回る飲料水を自動で生成する。この技術は、ボタンを1つ押すだけで作動する使いやすい装置に組み込まれている。
水をフィルターに通す必要がある他の携帯型海水淡水化装置とは異なり、この装置は電力を利用して水から粒子を取り除く。交換用フィルターが不要になることで、長期的なメンテナンスの負担が大幅に軽減される。
これにより、小さな島の地域社会や外洋を航行する貨物船など、遠隔地にあり資源が著しく限られた場所にも装置を導入できる可能性がある。また、自然災害から逃れる難民の支援や、長期の軍事作戦に従事する兵士にも活用できる。
「これは、私と研究グループが10年にわたって取り組んできたことの集大成です。個々の海水淡水化プロセスの物理学を何年も研究してきましたが、その成果をすべて箱に収め、システムを構築し、海で実証できたことは、私にとって非常に意義深く、やりがいのある経験でした」と、筆頭著者のジョンユン・ハン氏は語る。同氏は電気工学・コンピューターサイエンス学および生物工学の教授で、電子工学研究所（RLE）のメンバーでもある。
ハン氏のほか、論文には筆頭著者でRLEの研究員であるジュンヒョ・ユン氏、元博士研究員のヒョクジン・J・クォン氏、ノースイースタン大学の博士研究員ソングク・カン氏、米陸軍戦闘能力開発司令部（DEVCOM）のエリック・ブラック氏が名を連ねる。この研究はオンラインで『Environmental Science and Technology』に掲載された。
フィルターを使わない技術
市販の携帯型海水淡水化装置では通常、水をフィルターに通すために高圧ポンプが必要です。装置のエネルギー効率を損なわずに小型化するのは非常に困難だと、ユン氏は説明する。
これに対し、研究チームの装置は、イオン濃度分極（ICP）と呼ばれる技術を採用している。これは10年以上前にハン氏の研究グループが先駆けて開発したものだ。ICPでは水をろ過する代わりに、水路の上下に設置した膜に電場をかける。膜は、水が流れる際に塩分子、細菌、ウイルスなどの正または負に帯電した粒子を反発させる。帯電粒子は別の水流へと集められ、最終的に排出される。
このプロセスでは、溶解固形物と浮遊固形物の両方を除去し、きれいな水を水路に通す。低圧ポンプだけで済むため、ICPは他の技術よりエネルギー消費が少ない。
ただし、ICPでは水路の中央部に浮遊する塩分をすべて取り除けるとは限らない。そこで研究者らは、残った塩イオンを除去するため、電気透析と呼ばれる第2のプロセスを組み合わせた。
ユン氏とカン氏は機械学習を使い、ICPモジュールと電気透析モジュールの理想的な組み合わせを見つけた。最適な構成では、ICPを2段階で行い、第1段階では水を6つのモジュールに通し、次に第2段階の3つのモジュールに通した後、1回の電気透析を行う。この構成により、プロセスの自己洗浄機能を保ちながら、エネルギー消費を最小限に抑えた。
「帯電粒子の一部がイオン交換膜に捕捉される可能性があるのは確かです。しかし、粒子が閉じ込められた場合は電場の極性を反転させれば、簡単に取り除けます」とユン氏は説明する。
研究者らは、エネルギー効率を高めて携帯型装置に収められるよう、ICPと電気透析のモジュールを小型化して積み重ねた。専門知識のない人でも使えるよう、ボタンを1つ押すだけで自動の淡水化・浄化プロセスを開始できる設計にした。塩分濃度と粒子数が所定のしきい値を下回ると、水が飲用可能になったことを装置が利用者に知らせる。
研究者らは、装置をワイヤレスで操作し、電力消費量と水の塩分濃度をリアルタイムで報告できるスマートフォンアプリも開発した。
海岸での実験
塩分濃度と濁度（濁り）の異なる水を使った実験室での試験を経て、研究者らはボストンのカーソンビーチで装置を実地試験した。
ユン氏とクォン氏は岸辺近くに装置を置き、給水チューブを水中に投げ入れた。約30分で、装置は透明で飲用可能な水をプラスチック製のコップ1杯分作り出した。
「初回の稼働から成功し、とてもわくわくすると同時に驚きました。ただ、成功した最大の理由は、そこに至るまでに積み重ねてきた数々の小さな進歩だと思います」とハン氏は語る。
生成された水は世界保健機関（WHO）の水質ガイドラインを上回り、装置は浮遊固形物の量を少なくとも10分の1に減らした。試作機は1時間当たり0.3リットルの飲料水を生成し、水1リットル当たりに必要な電力はわずか20ワットだ。
「現在は、研究を進めて生産速度を高めようとしています」とユン氏は語る。
携帯型システムの設計で最も大きな課題の1つは、誰もが使える直感的な装置を作ることだったとハン氏は語る。
ユン氏は、この技術を商業化するために立ち上げを計画しているスタートアップを通じて、装置をさらに使いやすくし、エネルギー効率と生産速度を向上させたいと考えている。
ハン氏は研究室で、この10年に学んだことを海水淡水化以外の水質問題にも応用したいと考えている。たとえば、飲料水中の汚染物質を迅速に検出することだ。
「これは間違いなくわくわくするプロジェクトです。これまでの進展を誇りに思いますが、まだやるべきことはたくさんあります」と同氏は語る。
たとえば、ニューヨーク大学アブダビ校の水研究センター長で工学教授を務めるニダル・ヒラル氏は、この研究には参加していないが、「電気膜プロセスを用いた携帯型システムの開発は、送電網に接続されない小規模な海水淡水化における独創的で有望な方向性です」と述べる一方、水の濁度が高い場合などに起きる膜の汚れは、メンテナンスの負担とエネルギーコストを大幅に増加させる可能性があると指摘する。
「もう1つの制約は、高価な材料を使うことです」と同氏は付け加える。「同様のシステムを低コストの材料で実現できるか、見てみたいですね。」
この研究は、DEVCOM兵士センター、アブドゥル・ラティフ・ジャミール水・食料システム研究所（J-WAFS）、ノースイースタン大学の実験的AI博士研究員フェローシップ・プログラム、ルーAI研究所から一部資金提供を受けた。
