MIT와 중국 상하이 자오퉁 대학교(Shanghai Jiao Tong University)의 엔지니어들이 바다에서 영감을 받아 태양으로부터 전력을 공급받는 ‘완전하게 수동적인 장치’를 사용하여 바닷물을 식수로 바꾸는 것을 목표로 연구를 진행했고, 긍정적인 결과를 얻고 있다.

학술지 ‘줄(Joule)’ 저널에 최근 발표된 새로운 연구에서는 바닷물을 흡수하여 자연 햇빛으로 가열하는 새로운 태양열 담수화 시스템의 설계를 개략적으로 설명하고 있다.

이 장치를 배치하면, 대양의 거대한 ‘열염분’ 순환과 유사한 방식으로 물이 휘저어지는 소용돌이 속에서 염류가 순환할 수 있다.

이러한 순환은 태양열과 결합하여 물을 증발시켜 소금을 남기고, 이때 생성된 수증기는 응축되어 마실 수 있는 순수한 물로 수집된다.

그 사이 남은 잔여 염분은 시스템에 쌓여 막히지 않도록 장치 안팎으로 계속 순환된다.

이 새로운 시스템은 현재 테스트 중인 다른 수동 태양광 담수화 개념보다 물 생산 속도와 염분 제거율이 더 높다.

연구진은 이 시스템이 작은 여행가방 크기까지 성공하면, 시간당 4~6리터의 식수를 생산할 수 있고, 부품 교체가 필요할 때까지 수 년 동안 그 성능이 유지될 수 있다고 추정한다.

이로 인해 이 시스템은 수돗물보다 저렴한 가격과 속도로 식수를 생산할 수 있다.

연구진은 소규모 가족의 일일 요구 사항을 충족하기에 충분한 식수를 수동적으로 생산할 수 있는 확장된 장치를 구상하고 있다.

이 시스템은 해수에 쉽게 접근할 수 있는 독립형 해안 지역사회 전체에 공급될 수도 있다.

가장 최근 실험을 통해, 연구진은 높은 물 생산율과 염분 제거율을 모두 달성하는 설계에 도달했다고 파악하고 있다.

이는 이 시스템이 장기간 빠르고 안정적으로 식수를 생산할 수 있다는 것을 의미한다.

시스템 디자인의 핵심은 이전의 두 가지 개념, 즉 증발기와 응축기로 구성된 다단계 시스템을 하나로 결합한 것이다. 또한 이 시스템은 각 단계 내에서 물과 소금의 순환을 촉진하도록 구성된다.

이러한 소규모 순환은 대양의 ‘열염분’ 대류와 유사하다. 이러한 대류 현상은 해수 온도와 염도의 차이를 기반으로 전 세계 대류의 움직임을 주도한다.

바닷물이 공기에 노출되면 햇빛에 의해 물이 증발하고, 물이 증발되면 소금이 남게 된다.

염분 농도가 높을수록 액체의 밀도는 높아지고, 무거운 물은 아래로 흐르게 된다.

엔지니어들은 이 수 킬로미터 너비의 해양 현상을 작은 상자에 모방함으로써 이 기능을 활용하여 소금을 걸러낼 수 있었다.

연구팀은 1단계, 3단계, 10단계로 구성된 여러 프로토타입을 제작하고 천연 해수와 7배 더 염도가 높은 물을 포함하여 다양한 염도의 물에서 성능을 테스트했다.

이러한 테스트를 통해 연구자들은 각 단계를 1제곱미터로 확장하면 시간당 최대 5리터의 식수를 생산할 수 있으며 시스템이 수년 동안 소금을 축적하지 않고 물을 담수화할 수 있다고 계산했다.

이렇게 연장된 수명과 시스템은 완전히 수동적이어서 작동하는 데 전기를 필요로 하지 않는다는 사실을 고려할 때, 연구팀은 시스템을 운영하는 데 드는 전체 비용이 미국에서 수돗물을 생산하는 데 드는 비용보다 더 저렴할 것으로 추정하고 있다.

이 장치는 또한 긴 수명 성능을 달성할 수 있기 때문에 처음으로 현실적인 문제를 해결할 수 있는 태양광 담수화의 가능성을 예고하고 있다.

- JOULE, October 18, 2023, Vol. 7. Iss. 10, “Extreme Salt-Resisting Multistage Solar Distillation with Thermohaline Convection,” by Jintong Gao, et al. © Elsevier Inc. All rights reserved.

Engineers at MIT and China’s Shanghai Jiao Tong University are aiming to turn seawater into drinking water with a completely passive device that is inspired by the ocean and powered by the sun.

New research, just published in the journal Joule, outlines the design for a new solar de salination system that takes in saltwater and heats it with natural sunlight.

The configuration of the device allows water to circulate in swirling eddies, in a manner similar to the much larger “thermohaline” circulation of the ocean.

This circulation, combined with the sun’s heat, drives water to evaporate, leaving salt behind.

The resulting water vapor can then be condensed and collected as pure, drinkable water.

In the meantime, the leftover salt continues to circulate through and out of the device, rather than accumulating and clogging the system.

The new system has a higher water-production rate and a higher salt-rejection rate than any other passive solar desalination concept currently being tested.

The researchers estimate that if the system is scaled up only to the size of a small suitcase, it could produce 4 to 6 liters of drinking water per hour and last several years before requiring replacement parts.

At this scale and performance, the system could produce drinking water at a rate and price that is cheaper than tap water.

The team envisions a scaled-up device which could passively produce enough drinking water to meet the daily requirements of a small family.

The system could also supply entire off-grid, coastal communities where seawater is easily accessible.

In their latest iteration, the team believes it has landed on a design that achieves both a high water-production rate, and high salt rejection, meaning that the system can quickly and reliably produce drinking water for an extended period.

The key to their new design is a combination of two previous concepts: a multistage system of evaporators and condensers, that is also configured to boost the circulation of water - and salt - within each stage.

The small-scale circulations generated in the team’s new system is similar to “thermohaline” convection in the ocean.

That phenomenon drives the movement of water around the world, based on differences in sea temperature and salinity.

When seawater is exposed to air, sunlight drives water to evaporate. Once water leaves the surface, salt remains.

And the higher the salt concentration, the denser the liquid, and that heavier water wants to flow downward.

By mimicking this kilometer-wide ocean phenomena in a small box, engineers can take ad vantage of this feature to reject salt.

The team built several prototypes, with one, three, and 10 stages, and tested their performance in water of varying salinity, including natural seawater and water that was seven times saltier.

From these tests, the researchers calculated that if each stage were scaled up to a square meter, it would produce up to 5 liters of drink ing water per hour, and that the system could desalinate water without accumulating salt for several years.

Given this extended lifetime, and the fact that the system is entirely passive, requiring no electricity to run, the team estimates that the overall cost of running the system would be cheaper than what it costs to produce tap water in the United States.

Since this device is capable of achieving a long lifetime, this opens up the possibility for solar desalination to address real-world problems, for the first time.

A link in the printable issue provides access to a video about the desalination device.