Solárne zariadenie mení špinavú vodu na vodíkové palivo a pitnú vodu.
Výskumníci vytvorili plávajúce zariadenie poháňané slnečnou energiou, ktoré premieňa znečistenú vodu alebo morskú vodu na čisté vodíkové palivo a pitnú vodu. Keďže funguje s akýmkoľvek otvoreným zdrojom vody a nevyžaduje externé napájanie, zariadenie by sa mohlo používať na miestach s obmedzenými zdrojmi alebo na odľahlých miestach.
Fotokatalytické štiepenie vody premieňa slnečné svetlo priamo na skladovateľný vodík, ale často si vyžaduje čistú vodu a pozemok na inštaláciu zariadenia, pričom vzniká nevyužiteľné odpadové teplo. Keďže voda je vzácnym zdrojom, fotokatalytické zariadenie, ktoré využíva akýkoľvek neupravený zdroj vody, napríklad rieku, more, vodnú nádrž alebo priemyselnú odpadovú vodu, by bolo udržateľnejšou možnosťou.
Preto výskumníci z Cambridgeskej univerzity, inšpirovaní procesom fotosyntézy, vytvorili zariadenie poháňané slnečnou energiou, ktoré dokáže zo znečistenej vody alebo morskej vody súčasne vyrábať čisté vodíkové palivo a čistú pitnú vodu. „Spojiť výrobu solárnych palív a výrobu vody v jednom zariadení je zložité,“ povedal Chanon Pornrungroj, hlavný autor štúdie.
„Štiepenie vody poháňané slnečnou energiou, pri ktorom sa molekuly vody rozkladajú na vodík a kyslík, musí začať s úplne čistou vodou, pretože akékoľvek nečistoty môžu otráviť katalyzátor alebo spôsobiť nežiaduce chemické vedľajšie reakcie.“ Výskumníci chceli napodobniť schopnosť rastlín fotosyntetizovať, ale na rozdiel od predchádzajúcich zariadení, ktoré vyrábali zelené vodíkové palivo z čistých vodných zdrojov.
Chceli, aby ich zariadenie využívalo kontaminovanú vodu, vďaka čomu by bolo použiteľné v regiónoch, kde je ťažké nájsť čistú vodu. „V odľahlých alebo rozvojových regiónoch, kde je čistej vody relatívne málo a infraštruktúra potrebná na jej čistenie nie je ľahko dostupná, je štiepenie vody mimoriadne náročné,“ povedal Ariffin Mohamad Annuar, spoluautor štúdie.
„Zariadenie, ktoré by mohlo fungovať s použitím kontaminovanej vody, by mohlo vyriešiť hneď dva problémy: mohlo by štiepiť vodu na výrobu čistého paliva a mohlo by vyrábať čistú pitnú vodu.“ Na nanoštrukturovanú uhlíkovú sieťku pohlcujúcu infračervené svetlo, ktorá je dobrým absorbérom svetla aj tepla, uložili fotokatalyzátor pohlcujúci UV žiarenie, aby sa vytvorila vodná para, ktorú fotokatalyzátor využíva na výrobu vodíka.
Porézna uhlíková sieťka upravená tak, aby odpudzovala vodu, pomáhala fotokatalyzátoru vznášať sa a udržiavala ho ďalej od vody pod ním, aby nečistoty nenarušovali jeho funkčnosť. Okrem toho táto konfigurácia umožňuje zariadeniu využívať viac slnečnej energie. „Svetlom poháňaný proces výroby solárnych palív využíva len malú časť slnečného spektra – je tu celá veľká časť spektra, ktorá sa nevyužíva,“ povedal Annuar.
Výskumníci preto použili bielu vrstvu pohlcujúcu UV žiarenie na vrchu plávajúceho zariadenia na výrobu vodíka štiepením vody. Zvyšok svetla v slnečnom spektre sa prenáša do spodnej časti zariadenia, ktoré odparuje vodu. Podľa výskumníkov to lepšie napodobňuje transpiráciu, proces pohybu vody v rastline a jej odparovanie z nadzemných častí, ako sú listy, stonky a kvety.
„Takto lepšie využívame svetlo – získavame paru na výrobu vodíka a zvyšok je vodná para,“ povedal Pornrungroj. „Týmto spôsobom skutočne napodobňujeme skutočný list, keďže sme teraz dokázali zahrnúť proces transpirácie.“ Výskumníci testovali svoje zariadenie s použitím reálnych otvorených vodných zdrojov vrátane vody z rieky Cam v centre Cambridge a zakaleného priemyselného odpadu z papierenského priemyslu.
V umelej morskej vode si zariadenie po 154 hodinách zachovalo 80% svojho pôvodného výkonu. Výskumníci tvrdia, že vďaka tomu, že fotokatalyzátor je izolovaný od kontaminantov vo vodnom zdroji a zostáva relatívne suchý, zariadenie si môže udržať svoju prevádzkovú stabilitu. „Je tak tolerantný voči znečisťujúcim látkam a plávajúca konštrukcia umožňuje substrátu pracovať vo veľmi zakalenej alebo bahnitej vode,“ povedal Pornrungroj. „Je to veľmi univerzálny systém.“
Vedci tvrdia, že ich zariadenie má potenciál riešiť otázky udržateľnosti a obehového hospodárstva. „Naše zariadenie je zatiaľ len dôkazom princípu, ale práve takéto riešenia budeme potrebovať, ak chceme vytvoriť skutočne obehové hospodárstvo a udržateľnú budúcnosť,“ povedal Erwin Reisner, korešpondujúci autor štúdie. „Klimatická kríza a otázky súvisiace so znečistením a zdravím spolu úzko súvisia a vyvinutie prístupu, ktorý by pomohol riešiť obidve tieto otázky, by pre mnohých ľudí znamenalo zmenu.“ Štúdia bola uverejnená v časopise Nature Water.