Cirka 2,2 miljarder människor globalt saknar tillförlitlig tillgång till rent dricksvatten, enligt FN, och de växande effekterna av klimatförändringarna kommer sannolikt att förvärra denna verklighet.

Solar steam generation (SSG) har dykt upp som en lovande förnybar energiteknik för vattenutvinning, avsaltning, och rening som kan gynna människor som behöver det mest i avlägsna samhällen, katastrofområden, och utvecklingsländer. I Bokstäver i tillämpad fysik , Virginia Tech-forskare utvecklade ett syntetiskt träd för att förbättra SSG.

SSG omvandlar solenergi till värme. Vatten från en lagringstank suger kontinuerligt upp små, flytande porösa kolonner. När vattnet väl når lagret av fototermiskt material, det avdunstar, och ångan kondenseras till dricksvatten.

En stor utmaning i att skala upp SSG-tekniken är gränsen i kapillärkraften bortom en viss kolonnhöjd, när vattnet inte kan suga tillräckligt snabbt för att hänga med i avdunstningen. Kapillärkraften, baserat på ytspänningen som får vatten att "klättra" en porös pappershandduk, driver vattnet mot förångaren.

Inspirerad av mangroveträd som frodas längs kusterna, forskarna kringgick detta hinder genom att skapa ett syntetiskt träd för att ersätta kapillärverkan med transpiration, processen för vattenrörelse genom en växt och dess avdunstning från löv, stjälkar, och blommor. Transpiration kan pumpa upp vatten i isoleringsrör av vilken höjd som helst.

I riktiga träd, transpiration börjar vid rötterna, som suger upp vatten genom ihåliga kärl gjorda av xylemvävnad. När vattnet värms, det frigörs som ånga genom porerna på undersidan av bladen.

Det syntetiska trädet består av en array med 19 rör, täckt av en nanoporös keramisk skiva, som fungerar som blad. Varje plaströr, imiterar xylemledningarna, är 6 centimeter hög, knappt 2,5 tum, med en innerdiameter på 3,175 millimeter, ungefär en tiondels tum.

Inställningen gör det möjligt för förångningsgränssnittet att termiskt separera från bulkvattnet i tanken, så att förångaren inte torkar ut. Vatten som avdunstar från skivan fylls på med sug, som kontinuerligt pumpar mer vatten från en bottentank upp i rörsystemet.

"Vi förväntar oss att vår trädbaserade solånggenerator kommer att vara av intresse för tillämpningar inom utvinning och rening av underjordiskt vatten, ", sa författaren Jonathan Boreyko. "Det slutliga målet är att uppnå ett sugtryck som är tillräckligt starkt för att dra havsvatten genom ett saltexkluderande filter utan att behöva en mekanisk pump, analogt med hur mangroveträd kan växa i havsvatten."

Framtida forskning kan fokusera på att tillverka högre träd, lägga till fler löv för att öka området över vilken avdunstning sker, och införlivande av avsaltningsmembran vid rörinloppen för att förhindra saltuppbyggnad.