在一個日益炎熱和擁擠的世界中，清潔的水正在成為一種珍貴的商品。到2025年，全球三分之二的人口將面臨獲取淡水的問題，從海洋和地下水中去除鹽分和汙染物是滿足人類口渴的一種方法。
然而，今天的大型海水淡化廠的建設成本高達數百萬美元。大多數工廠使用反滲透技術，將海水透過阻鹽膜。所需的電力佔工廠支出的高達一半，而且這個過程會留下超鹹的、化學物質汙染的濃湯，可能會危害當地生態系統。這些設施通常由排放碳的化石燃料提供動力；人們已經努力（尤其是在中東、亞洲和非洲）轉而使用太陽能電池板，但這也會帶來成本，並且不能解決有毒排放物的問題。
因此，研究人員正在嘗試更直接地利用太陽的熱量來去除鹽分和其他汙染物。最簡單的選擇是讓水蒸發，留下鹽分和化學物質，然後將蒸汽冷凝成乾淨的水。人類已經使用了這種稱為太陽能蒸餾的技術的各種版本數百年。如今，沙烏地阿拉伯的工程師計劃建造一座工廠，該工廠使用巨大的鏡子來集中陽光，並在一個直徑超過50米的鋼化玻璃穹頂內對水進行過熱處理。
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但是，透過使用新型材料和設計，研究人員正試圖使該過程更便宜、更簡單和更便攜，從而使高質量的海水淡化在全球範圍內更易於獲得。“發展中國家對清潔水的需求巨大，”萊斯大學電氣和計算機工程師 Naomi Halas 說。“太陽能熱技術應該可以降低海水淡化的能源需求，並且可以在完全脫離電網的偏遠地區進行海水淡化。”
美國能源部即將宣佈其太陽能海水淡化獎的半決賽入圍者。目標：一個以 1.50 美元生產 1,000 升可用水的系統。“當今沒有任何技術能夠以這些成本處理高鹽度水，”萊斯大學土木與環境工程師 Qilin Li 說。
此類系統可以克服反滲透的一個重大缺點：它通常只能淡化一半的輸入鹽水，而留下的溶液最終會積累足夠的鹽分來堵塞膜，美國能源部國家可再生能源實驗室 (NREL) 的 Craig Turchi 說。這種有害的副產品，稱為濃鹽水，通常被傾倒入海洋或注入地下。太陽能熱海水淡化系統可以淨化鹽濃度至少是海水兩倍的水。NREL 發言人 Meghan Hughes 表示，這將包括來自反滲透工廠的濃鹽水和來自美國西南部等地區的微鹹地下水，以及一些反滲透無法處理的工業和農業廢物：“一般來說，只有熱驅動技術，例如我們正在透過該計劃努力開發的技術，才能處理這些高濃度濃鹽水。”
Li、Halas 及其同事製造了一種太陽能海水淡化裝置，該裝置具有多孔塑膠膜，可讓水蒸氣透過，但不能讓液體透過。它的一側塗有微小的碳顆粒，這些顆粒在陽光下會升溫，使接觸到的鹽水汽化。這種蒸汽透過並在膜的另一側冷凝成乾淨的水。Halas 的團隊最近透過使用塑膠透鏡將陽光聚焦在膜上，產生更多熱量，從而將系統的效率提高了 50%。
該團隊的計算表明，在幾年內實現能源部的成本目標，使用一個平方米大小的裝置每小時生產多達 20 升水是可能的。“我們正處於福特 T 型車的階段——還不是野馬階段，”Halas 說。“但這已經足夠好了，我們開始獲得商業興趣。”
加州大學洛杉磯分校土木與環境工程師 David Jassby 的團隊在一個類似的裝置中將導熱材料整合到膜中。在其下方，研究人員添加了一層在陽光下會升溫的細鋁網。“因此，您可以將膜捲成螺旋模組，因為您不必擁有直接暴露在陽光下的大表面積，”他說。在屋頂測試中，該裝置每平方米膜每小時生產 8 升淡水。
此類系統可以適用於亞洲和非洲的離網村莊、擁有微鹹地下水的社群以及幾乎任何地方的緊急用途的緊湊型裝置。但麻省理工學院機械工程師 Evelyn Wang 實驗室的研究生 Lenan Zhang 說，它們需要加快步伐，將更多的太陽熱能轉化為蒸汽。
Zhang 說，Wang 的團隊透過“一遍又一遍地重複利用能量”來提高其裝置的效率。它包括 10 個階段，每個階段都是一個尼龍框架，其中包含黑色吸光層、紙巾和鋁膜。加熱時，黑色層會蒸發鹽水，因為它會吸入紙巾，蒸汽會在鋁上凝結。冷凝釋放熱量，熱量上升到下一層紙巾層，並有助於蒸發，而不是損失掉。這個 100 美元的裝置在實驗室中每小時產生近 6 升水，在室外產生大約一半的水；Zhang 說，使用更復雜的材料和階段，效率可以提高一倍。
另一種有趣的方法是利用加溼作用，讓空氣透過鹽水噴霧。“空氣吸收水分並留下固體鹽，”俄勒岡州立大學機械工程師 Bahman Abbasi 說。他的系統利用太陽輻射加熱、壓縮並以高速透過噴嘴噴射鹽水和空氣的混合物，從而產生渦流，將鹽分和其他固體推到裝置的壁上，而加溼的空氣上升以進行收集和冷凝。Abbasi 說，這款揹包大小的裝置可以清潔鹽度高達海水三倍的水，每小時可生產約 20 升水。
所有這些相對低成本的技術都可以為行動式淨水器或離網應用以及其他應用開闢新的市場。Turchi 說，它們最終可能會促成大型太陽能熱系統，為城市提供飲用水。就目前而言，它們“將補充反滲透，並將成為反滲透可能無法發揮作用的利基應用的關鍵角色”。