在一个日益炎热和拥挤的世界中，清洁的水正在成为一种珍贵的商品。到2025年，全球三分之二的人口将面临获取淡水的问题，从海洋和地下水中去除盐分和污染物是满足人类口渴的一种方法。
然而，今天的大型海水淡化厂的建设成本高达数百万美元。大多数工厂使用反渗透技术，将海水通过阻盐膜。所需的电力占工厂支出的高达一半，而且这个过程会留下超咸的、化学物质污染的浓汤，可能会危害当地生态系统。这些设施通常由排放碳的化石燃料提供动力；人们已经努力（尤其是在中东、亚洲和非洲）转而使用太阳能电池板，但这也会带来成本，并且不能解决有毒排放物的问题。
因此，研究人员正在尝试更直接地利用太阳的热量来去除盐分和其他污染物。最简单的选择是让水蒸发，留下盐分和化学物质，然后将蒸汽冷凝成干净的水。人类已经使用了这种称为太阳能蒸馏的技术的各种版本数百年。如今，沙特阿拉伯的工程师计划建造一座工厂，该工厂使用巨大的镜子来集中阳光，并在一个直径超过50米的钢化玻璃穹顶内对水进行过热处理。
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但是，通过使用新型材料和设计，研究人员正试图使该过程更便宜、更简单和更便携，从而使高质量的海水淡化在全球范围内更易于获得。“发展中国家对清洁水的需求巨大，”莱斯大学电气和计算机工程师 Naomi Halas 说。“太阳能热技术应该可以降低海水淡化的能源需求，并且可以在完全脱离电网的偏远地区进行海水淡化。”
美国能源部即将宣布其太阳能海水淡化奖的半决赛入围者。目标：一个以 1.50 美元生产 1,000 升可用水的系统。“当今没有任何技术能够以这些成本处理高盐度水，”莱斯大学土木与环境工程师 Qilin Li 说。
此类系统可以克服反渗透的一个重大缺点：它通常只能淡化一半的输入盐水，而留下的溶液最终会积累足够的盐分来堵塞膜，美国能源部国家可再生能源实验室 (NREL) 的 Craig Turchi 说。这种有害的副产品，称为浓盐水，通常被倾倒入海洋或注入地下。太阳能热海水淡化系统可以净化盐浓度至少是海水两倍的水。NREL 发言人 Meghan Hughes 表示，这将包括来自反渗透工厂的浓盐水和来自美国西南部等地区的微咸地下水，以及一些反渗透无法处理的工业和农业废物：“一般来说，只有热驱动技术，例如我们正在通过该计划努力开发的技术，才能处理这些高浓度浓盐水。”
Li、Halas 及其同事制造了一种太阳能海水淡化装置，该装置具有多孔塑料膜，可让水蒸气通过，但不能让液体通过。它的一侧涂有微小的碳颗粒，这些颗粒在阳光下会升温，使接触到的盐水汽化。这种蒸汽通过并在膜的另一侧冷凝成干净的水。Halas 的团队最近通过使用塑料透镜将阳光聚焦在膜上，产生更多热量，从而将系统的效率提高了 50%。
该团队的计算表明，在几年内实现能源部的成本目标，使用一个平方米大小的装置每小时生产多达 20 升水是可能的。“我们正处于福特 T 型车的阶段——还不是野马阶段，”Halas 说。“但这已经足够好了，我们开始获得商业兴趣。”
加州大学洛杉矶分校土木与环境工程师 David Jassby 的团队在一个类似的装置中将导热材料集成到膜中。在其下方，研究人员添加了一层在阳光下会升温的细铝网。“因此，您可以将膜卷成螺旋模块，因为您不必拥有直接暴露在阳光下的大表面积，”他说。在屋顶测试中，该装置每平方米膜每小时生产 8 升淡水。
此类系统可以适用于亚洲和非洲的离网村庄、拥有微咸地下水的社区以及几乎任何地方的紧急用途的紧凑型装置。但麻省理工学院机械工程师 Evelyn Wang 实验室的研究生 Lenan Zhang 说，它们需要加快步伐，将更多的太阳热能转化为蒸汽。
Zhang 说，Wang 的团队通过“一遍又一遍地重复利用能量”来提高其设备的效率。它包括 10 个阶段，每个阶段都是一个尼龙框架，其中包含黑色吸光层、纸巾和铝膜。加热时，黑色层会蒸发盐水，因为它会吸入纸巾，蒸汽会在铝上凝结。冷凝释放热量，热量上升到下一层纸巾层，并有助于蒸发，而不是损失掉。这个 100 美元的装置在实验室中每小时产生近 6 升水，在室外产生大约一半的水；Zhang 说，使用更复杂的材料和阶段，效率可以提高一倍。
另一种有趣的方法是利用加湿作用，让空气通过盐水喷雾。“空气吸收水分并留下固体盐，”俄勒冈州立大学机械工程师 Bahman Abbasi 说。他的系统利用太阳辐射加热、压缩并以高速通过喷嘴喷射盐水和空气的混合物，从而产生涡流，将盐分和其他固体推到设备的壁上，而加湿的空气上升以进行收集和冷凝。Abbasi 说，这款背包大小的设备可以清洁盐度高达海水三倍的水，每小时可生产约 20 升水。
所有这些相对低成本的技术都可以为便携式净水器或离网应用以及其他应用开辟新的市场。Turchi 说，它们最终可能会促成大型太阳能热系统，为城市提供饮用水。就目前而言，它们“将补充反渗透，并将成为反渗透可能无法发挥作用的利基应用的关键角色”。