ระบบกลั่นน้ำจืดพลังงานแสงอาทิตย์ที่อาจผลิตน้ำจืดได้ถูกกว่าน้ำประปา

• นักวิจัยจาก MIT และจีนพัฒนา อุปกรณ์กลั่นน้ำจืดแบบพาสซีฟที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อเปลี่ยนน้ำทะเลให้เป็นน้ำดื่ม พร้อมหลีกเลี่ยงปัญหาเกลืออุดตันที่เกิดซ้ำในดีไซน์เดิม
• อุปกรณ์ใหม่นี้สร้างการไหลแบบหมุนวนคล้าย การไหลเวียนเทอร์โมฮาไลน์ ของทะเลภายในอุปกรณ์ขนาดเล็ก และใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์ทำให้น้ำระเหยและควบแน่นเพื่อผลิตน้ำจืด
• เกลือที่เหลือจะไม่สะสมอยู่ภายใน แต่จะไหลเวียนต่อเนื่องและถูกพาออกไป ทำให้อัตราการผลิตน้ำและอัตราการกำจัดเกลือสูงกว่าแนวคิดการกลั่นน้ำจืดพลังงานแสงอาทิตย์แบบพาสซีฟอื่น ๆ ที่กำลังทดสอบอยู่
• หากขยายขนาดเป็นประมาณกระเป๋าเดินทางใบเล็ก จะสามารถผลิตน้ำดื่มได้ราว 4~6 ลิตร ต่อชั่วโมง และคาดว่าน่าจะทำงานได้หลายปีโดยไม่ต้องเปลี่ยนชิ้นส่วน
• เป็นระบบพาสซีฟเต็มรูปแบบที่ไม่ใช้ไฟฟ้า จึงอาจตอบโจทย์ความต้องการน้ำดื่มรายวันของ พื้นที่ชายฝั่งนอกโครงข่ายไฟฟ้า หรือครัวเรือนขนาดเล็ก

---

อุปกรณ์กลั่นน้ำจืดแบบพาสซีฟที่ทำงานด้วยแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว

• นักวิจัยจาก MIT และจีนพัฒนา อุปกรณ์แบบพาสซีฟเต็มรูปแบบ ที่เปลี่ยนน้ำทะเลให้เป็นน้ำดื่ม
• อุปกรณ์ใช้แสงอาทิตย์ตามธรรมชาติทำให้น้ำเกลือร้อนขึ้น ทำให้น้ำระเหย แล้วควบแน่นไอน้ำเพื่อเก็บน้ำที่ดื่มได้
• ผลการวิจัยตีพิมพ์ใน Joule ในบทความ Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection
• คาดว่าหากขยายระบบเป็นขนาดประมาณกระเป๋าเดินทางใบเล็ก จะสามารถผลิตน้ำดื่มได้ราว 4~6 ลิตร ต่อชั่วโมง
• ที่ขนาดและประสิทธิภาพระดับนี้ น้ำที่ผลิตด้วยพลังงานแสงอาทิตย์อาจมีราคาถูกกว่าน้ำประปา

การไหลเวียนเทอร์โมฮาไลน์ที่จำลองไว้ในกล่องเล็ก ๆ

• ระบบใหม่นี้ได้แรงบันดาลใจจาก การไหลเวียนเทอร์โมฮาไลน์ ของทะเล
  • ในมหาสมุทร ความแตกต่างของอุณหภูมิและความเค็มทำให้ความหนาแน่นของน้ำต่างกัน และความต่างนี้สร้างการไหลของน้ำในระดับโลก
  • เมื่อน้ำทะเลสัมผัสอากาศ แสงอาทิตย์จะทำให้น้ำระเหย ส่วนเกลือที่เหลือจะเพิ่มความเค็ม ทำให้น้ำมีน้ำหนักมากขึ้นและไหลลงด้านล่าง
• นักวิจัยจำลองปรากฏการณ์นี้ภายในอุปกรณ์ขนาดเล็กและนำมาใช้เพื่อ ระบายเกลือ
• ความร้อนจากแสงอาทิตย์และความเอียงของอุปกรณ์ทำให้เกิดการไหลแบบหมุนวนในน้ำ ซึ่งช่วยให้น้ำสัมผัสชั้นระเหย ขณะที่เกลือไม่ตกตะกอนแต่หมุนเวียนต่อเนื่อง

ข้อจำกัดของดีไซน์เดิมและการปรับปรุงครั้งนี้

• ดีไซน์ก่อนหน้าของทีมวิจัยใช้งาน เครื่องระเหยและเครื่องควบแน่น หลายขั้น
  • ดีไซน์ที่ทดสอบบนดาดฟ้าอาคารของ MIT ใช้พลังงานแสงอาทิตย์กับการระเหยน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ
  • แต่เกลือที่เหลือสะสมเป็นผลึกภายในไม่กี่วันจนทำให้ระบบอุดตัน
  • ในสภาพใช้งานจริง ผู้ใช้จะต้องเปลี่ยนแต่ละขั้นบ่อยครั้ง ซึ่งอาจทำให้ต้นทุนรวมเพิ่มขึ้นมาก
• ดีไซน์ถัดมาเพิ่มความสามารถในการหมุนเวียนน้ำและเกลือที่เหลือเพื่อป้องกันการตกตะกอนของเกลือ
  • อย่างไรก็ตาม อัตราการกลั่นน้ำจืดค่อนข้างต่ำ
• ดีไซน์ล่าสุดผสานสองแนวทางเข้าด้วยกัน
  • ยังคงโครงสร้างเครื่องระเหยและเครื่องควบแน่นหลายขั้น
  • เสริม การไหลเวียน ของน้ำและเกลือภายในแต่ละขั้น
  • ตั้งเป้าทั้งอัตราการผลิตน้ำสูงและอัตราการกำจัดเกลือสูงพร้อมกัน

โครงสร้างอุปกรณ์และวิธีการทำงาน

• หน่วยหลักคือ หนึ่งขั้น ที่มีลักษณะเป็นกล่องบาง
• ด้านบนวางวัสดุสีเข้มที่ดูดซับความร้อนจากแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• ภายในแบ่งเป็นโซนด้านบนและด้านล่าง
  • ชั้นระเหยในโซนด้านบนทำให้น้ำที่ได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์โดยตรงร้อนขึ้นและระเหย
  • ชั้นควบแน่นในโซนด้านล่างทำให้ไอน้ำควบแน่นด้วยการระบายความร้อนด้วยอากาศ กลายเป็นน้ำดื่มไร้เกลือ
• นักวิจัยวางกล่องทั้งหมดเอียงไว้ภายในภาชนะขนาดใหญ่ที่ว่างเปล่า ต่อท่อจากด้านบนของกล่องลงไปยังด้านล่างของภาชนะ แล้วปล่อยให้ภาชนะลอยอยู่บนน้ำเกลือ
• ในโครงสร้างนี้ น้ำจะไหลขึ้นสู่ภายในกล่องผ่านท่อโดยธรรมชาติ และความเอียงร่วมกับความร้อนจากแสงอาทิตย์จะสร้าง กระแสน้ำหมุนวนขนาดเล็ก ภายใน

ผลการทดสอบและการประเมินต้นทุน

• นักวิจัยสร้างต้นแบบแบบ 1 ขั้น, 3 ขั้น และ 10 ขั้น แล้วทดสอบประสิทธิภาพกับน้ำที่มีความเค็มหลากหลาย
  • ตัวอย่างทดสอบมีทั้งน้ำทะเลธรรมชาติและน้ำที่ เค็มกว่าน้ำทะเล 7 เท่า
• จากผลการทดสอบ ทีมวิจัยคำนวณว่าหากขยายแต่ละขั้นเป็น 1 ตารางเมตร จะสามารถผลิตน้ำดื่มได้สูงสุด 5 ลิตร ต่อชั่วโมง
• คำนวณว่าระบบจะสามารถกลั่นน้ำจืดได้ต่อเนื่องนานหลายปีโดยไม่เกิดการสะสมของเกลือ
• เนื่องจากเป็นระบบพาสซีฟเต็มรูปแบบที่ไม่ใช้ไฟฟ้าและมีอายุการใช้งานยาวนาน จึงคาดว่าต้นทุนการดำเนินงานอาจต่ำกว่าต้นทุนการผลิตน้ำประปาในสหรัฐฯ

ความเป็นไปได้ในการใช้งานและการประเมินจากภายนอก

• อุปกรณ์ที่ขยายขนาดแล้วสามารถผลิตน้ำจืดแบบพาสซีฟได้ในปริมาณที่เพียงพอต่อความต้องการน้ำดื่มรายวันของครอบครัวขนาดเล็ก
• อาจนำไปใช้เป็นแหล่งน้ำสำหรับ พื้นที่ชายฝั่งนอกโครงข่ายไฟฟ้า ที่เข้าถึงน้ำทะเลได้ง่าย
• Guihua Yu จาก University of Texas at Austin ประเมินว่าแนวทางนี้ช่วยบรรเทาความท้าทายสำคัญของวงการกลั่นน้ำจืด และเหมาะอย่างยิ่งกับพื้นที่ที่มีปัญหาน้ำความเค็มสูง
• ดีไซน์แบบโมดูลาร์เหมาะกับการผลิตน้ำใช้ในครัวเรือน และสามารถให้ความสามารถในการขยายขนาดและการปรับตัวตามความต้องการเฉพาะได้

[GN⁺]

ความคิดเห็นจาก Hacker News

• ไม่ได้ตั้งใจจะลดทอนคุณค่าของนวัตกรรมนี้เอง แต่เท่าที่รู้ หนึ่งในโจทย์ใหญ่ของการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลยังคงเป็นเรื่องว่าจะจัดการน้ำทิ้ง ซึ่งปกติมักเป็น น้ำเกลือเข้มข้นสูง อย่างไร
  ถ้าปล่อยกลับลงทะเล อาจรบกวนระบบนิเวศท้องถิ่นได้ มีบทความที่เกี่ยวข้องจาก Scientific American ด้วย: https://www.scientificamerican.com/article/slaking-the-world...
  “เกลือส่วนเกินลดออกซิเจนที่ละลายในน้ำ ทำให้สัตว์ใต้ทะเลขาดอากาศ”, “นอกจากจะเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทางทะเลแล้ว ความเค็มระดับสุดขั้วยังทำให้น้ำยิ่งแยกเกลือได้ยากและแพงขึ้นด้วย”

  • โดยทั่วไปความเค็มจะเพิ่มขึ้นราว 4 เท่า หมายถึงกรณีสมมติว่าอัตราการปล่อยทิ้งอยู่ที่ 25% ดังนั้นควรคำนึงว่า การปล่อยน้ำเกลือเข้มข้น เป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เฉพาะถิ่นมาก และไม่ได้แพร่กระจายไปไกล
    ผมคงไม่เรียกว่าเป็นปัญหาที่ยังแก้ไม่ได้เสียทีเดียว การสร้างลานจอดรถอาจรบกวนระบบนิเวศมากกว่านี้ก็ได้
  • ดูภาพ diffuser สำหรับปล่อยน้ำเกลือเข้มข้น ที่โรงงานแยกเกลือแห่งนี้ใน Western Australia ได้: https://www.watercorporation.com.au/Our-water/Desalination/P...
  • ในความเป็นจริงมันเป็นโจทย์ยากเฉพาะในบริเวณน้ำตื้นและน้ำไม่ค่อยไหลเวียนเท่านั้น ถ้าสูบออกไปไกลจากฝั่งอีกหน่อย ก็มี ทั้งมหาสมุทร ให้เจือจางเกลือได้อย่างแท้จริง
    เช่น ชายฝั่ง California เป็นรัฐที่ควรจะไม่มีปัญหาขาดแคลนน้ำ เพราะมีพลังงานแสงอาทิตย์และลมที่สะอาดอย่างอุดมสมบูรณ์ และเข้าถึงมหาสมุทรแปซิฟิกทั้งผืนสำหรับแยกเกลือได้ พอออกจากชายฝั่งไปไม่กี่ไมล์ ความลึกของน้ำก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ที่นั่น ต่อให้อยากทำก็ยากที่จะเปลี่ยนความเค็มของน้ำทะเลในแบบที่วัดผลได้
    ดังนั้นทางออกคือท่อและปั๊ม ต้นทุนจะเพิ่มขึ้น แต่ที่เหลือเป็นปัญหาที่แก้ได้อย่างสมบูรณ์ การทำให้แหล่งน้ำธรรมชาติอย่างน้ำบาดาลและชั้นหินอุ้มน้ำร่อยหรอก็มีผลกระทบมากเช่นกัน การแยกเกลือที่ทำอย่างถูกต้องอาจเปิดโอกาสให้บางส่วนของระบบนิเวศที่กำลังรับความกดดันได้ฟื้นตัว
  • อาจเป็นประเด็นถกเถียงได้ แต่ทางออกที่ดีที่สุดอาจเป็นการยอมรับว่า การแก้ปัญหา น้ำดื่ม ของผู้คนมีคุณค่ามากกว่าการทำให้สภาพแวดล้อมของสิ่งมีชีวิตทะเลในบางพื้นที่แย่ลง
  • ทุกสิ่งที่เราทำส่งผลต่อสิ่งแวดล้อมทั้งนั้น การเอาแต่น้ำออกแต่ไม่เอาเกลือออก จนทำให้บางส่วนของทะเลเค็มขึ้นเล็กน้อย ฟังดูเป็นปัญหาค่อนข้างเล็กน้อย

• แม้น้ำที่ได้จากกระบวนการนี้จะใกล้เคียง น้ำกลั่น ที่ไม่มีแร่ธาตุจำเป็นสำหรับน้ำดื่ม แต่ถ้ามันถูกพอและขยายขนาดได้ ผมคิดว่า India, ประเทศกลุ่มอาหรับ และประเทศในแอฟริกาเหนือ น่าจะฉีดน้ำสะอาดแบบนี้ลงใต้ดินเพื่อผสมกับน้ำจืดปริมาณน้อยที่ยังเหลืออยู่ในพื้นที่ของตนได้
  หากสร้างระบบในระดับผลิตวันละ 100 ล้านลิตร แล้วสูบเข้าใต้ดินตอนใน ก็อาจเติมระดับน้ำบาดาลได้มากพอ ระหว่างที่โลกช่วยเติมแร่ธาตุที่จำเป็นให้เอง
  อาจใช้ปลูกต้นไม้ในพื้นที่ที่เดิมทีทำไม่ได้ด้วย

  • ถูกต้อง อาจดูเหมือนคิดแบบมองโลกสวย แต่ปัญหา การกลายเป็นทะเลทราย ใหญ่มาก จนวิธีรักษาใด ๆ ที่เป็นไปได้ควรถูกพิจารณาจากหลักการพื้นฐานเพื่อดูความเป็นไปได้
    การแยกเกลือแบบพาสซีฟจะเป็นวิธีบูตสแตรประบบนิเวศท้องถิ่นในสภาพแวดล้อมแห้งแล้งให้พึ่งพาตัวเองได้หรือไม่?

• คำว่า “ถูกกว่าน้ำประปา” ทำให้สับสน ผมโตมาบนเกาะที่ใช้น้ำแยกเกลือ และนั่นก็คือ น้ำประปา ของเรา

  • ใช่ ดูเหมือนเป็นการผิดหมวดหมู่ การแยกเกลือ คือวิธีผลิต ส่วนระบบประปาคือวิธีส่งน้ำ
  • ผมว่าคงเข้าใจกันอยู่แล้วว่าน้ำประปาส่วนใหญ่ท่วมท้นไม่ได้อยู่ในหมวดนั้น
  • ถึงเวลาแล้วที่อินเทอร์เน็ตควรมีชื่อเรื่องที่สองหรือชื่อรอง เพื่อให้อธิบายได้เหมือนแต่ก่อนว่าบทความเกี่ยวกับอะไร
    ชื่อแรกจะล่อคลิกก็ได้ ผมก็อยากได้คลิกเบตที่ดีกว่านี้เหมือนกัน แต่ก็อยากรู้ด้วยว่ามันเกิดอะไรขึ้นกันแน่ “ผลิตน้ำดื่มฟรีไม่จำกัด!” => “กำจัดคราบเกลือที่ตกค้างในเครื่องกลั่นพลังงานแสงอาทิตย์”

• ทำไมทุก ๆ 3–4 ปีถึงมีข่าว สิ่งประดิษฐ์แยกเกลือ ใหม่ที่ถูกลงออกมา?

  • น้ำและอาหารเป็นปัจจัยที่จำเป็นอย่างยิ่งต่อการอยู่รอด ถ้า Meta ออกผลิตภัณฑ์ใหม่ เราอาจเมินได้ แต่ การขาดแคลนน้ำ เมินไม่ได้
    ประเทศส่วนใหญ่เริ่มรับมือกับปัญหาความกดดันด้านน้ำอย่างหนักแล้ว โดยเฉพาะเมื่อฤดูกาลไม่ได้เป็นไปตามรูปแบบเดิมอย่างแม่นยำอีกต่อไป ภัยแล้งฉับพลันอาจทำให้น้ำประปาแทบทั้งหมดหยุดชะงัก และการสูบน้ำบาดาลมากเกินไปทำให้พื้นดินทรุดตัว ดูปัญหาหลุมยุบแบบสุ่มใน China ที่เกิดจากแผ่นดินทรุดได้
    การแยกเกลือน้ำยุคใหม่ยังถือว่าค่อนข้างใหม่ จึงมีพื้นที่ให้เทคโนโลยีเติบโตอีกมาก นอกจากนี้ยังน่าสนใจในแง่สิทธิบัตรสำหรับระบบที่ดีกว่า และมีตลาดอยู่เสมอ
  • น้ำสำคัญ
  • รู้สึกเหมือนเห็นข่าวแบบนี้เป็นระยะประมาณนั้นจริง ๆ แต่เราเห็นกรณีที่มันทำได้เชิงพาณิชย์หรือถูกใช้ในวงกว้างจริง ๆ ด้วยไหม?
  • เป็นข่าวสำคัญสำหรับประเทศและภูมิภาคที่แห้งแล้ง

• Nestle Strawman Inc. เพิ่งซื้อสิทธิบัตรนั้นไป หวังว่าจะมีประเทศมากขึ้นที่ยอมให้ ละเมิดทรัพย์สินทางปัญญา เพื่อให้ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีรุ่งเรือง

  • China ทำเรื่องแนวนี้ได้ค่อนข้างดี
  • อ้าว จริงเหรอ? หมดหวังเลย :|

• บอกว่าจะล้างเกลือที่สะสมออกไปงั้นเหรอ? เกลือทะเลตากแห้ง ขายได้ราว 3 ดอลลาร์ต่อปอนด์นะ

  • ลองเช็กคร่าว ๆ ใน Amazon แล้ว ราคาที่ได้เกลือเกรดอาหารซึ่งผ่านการทำให้บริสุทธิ์ ตกผลึก และสร้างแบรนด์ ส่งถึงหน้าบ้าน อยู่ที่ประมาณ 3 ดอลลาร์ต่อปอนด์
    ความต้องการแบบนั้นค่อนข้างจำกัด ต่อให้ซื้อได้ในราคาปอนด์ละ 1.50 ดอลลาร์ คุณจะใช้เกลือเพิ่มขึ้นแค่ไหนกัน?
    ในทางกลับกัน สิ่งที่อุปกรณ์นี้ผลิตคือ “น้ำทะเลเข้มข้น” ซึ่งยังมีสาหร่าย มูลปลา มลพิษจากพลาสติก ฯลฯ ที่อยู่ในน้ำทะเลเดิมครบถ้วน
  • ถ้าทำในระดับนั้น ผมคิดว่าปริมาณคงล้นตลาดจนกดราคาลง อาจค้าขายกับพื้นที่ที่มีความต้องการจริงได้ แต่ต้องแข่งกับคนที่ใช้รถดันดินตักเอาจากชั้นตะกอนก้นทะเลโบราณตรง ๆ
  • การทำให้เกลือนั้นแห้งและเตรียมสำหรับขายใช้ พลังงาน มาก
  • ตะกอนเกลือทำให้อุปกรณ์อุดตัน และการเก็บเกี่ยวเกลือต้องใช้แรงงาน ถ้าปล่อยเกลือออกไป อุปกรณ์ก็สามารถ ทำงานแบบพาสซีฟ ได้เป็นปี ๆ

• ถ้ามองสิ่งนี้เป็น ‘black box’ แหล่งความร้อนอย่างดวงอาทิตย์จะทำให้น้ำทั้งหมดร้อนขึ้น สมมติว่าน้ำ 10% ระเหยและควบแน่นในบริเวณเก็บกัก ส่วนที่เหลือจะเค็มขึ้นจากความเค็มเดิม 3.5% อีก 0.35% และยังคงความร้อนไว้
  ถ้าปล่อยออก 10% แล้วแทนที่ด้วยน้ำทะเลเย็นที่มีความเค็ม 3.5% โดยให้น้ำที่ปล่อยผ่าน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทาง ความร้อนที่สะสมไว้ก็จะคงอยู่ และเกลือที่เพิ่มขึ้น 0.35% จะกลายเป็นของเสียเล็กน้อยที่กระจายออกไป
  ปัญหาใหญ่ที่สุดคือสาหร่ายและสิ่งมีชีวิตทะเลลอยน้ำจะเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็วและอุดตันทุกพื้นผิว ใครที่เคยเลี้ยงตู้ปลาน้ำทะเล/น้ำจืดจะรู้ว่านี่เป็นปัญหา ระบบนี้จะทำงานได้จนกว่าจะเจอปัญหาสาหร่าย และยังไม่รวมปัญหาตัวอ่อนของหอย หอยแมลงภู่ และเพรียงที่พบได้ทั่วไปในน้ำทะเล

• มีใครรู้ไหมว่าจะหาบทความต้นฉบับหรือแบบออกแบบได้ที่ไหน?

  • น่าหงุดหงิดที่บทความข่าววิทยาศาสตร์แบบนี้มักไม่ใส่ DOI หรือลิงก์วารสาร
    น่าจะเป็นบทความนี้: https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00360-4

• ผมคงจะเริ่มจากดูว่าระบบนี้ยื่นขอสิทธิบัตรไว้หรือยัง ตอนนี้ค้นหาไม่ได้ แต่ถ้าจะเชื่อแม้แต่นิดเดียวว่ามีโอกาสสำเร็จในโลกจริง สิทธิบัตร และการให้ไลเซนส์แก่สตาร์ทอัพที่เกี่ยวข้องคือขั้นตอนขั้นต่ำที่ต้องมี