Un dispositif solaire coréen de dessalement produit 3,4 litres par heure sans électricité

Un distillateur solaire ultra-efficace mis au point en Corée

Une équipe de recherche de l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST), en Corée du Sud, a mis au point un dispositif de dessalement solaire qui affiche un taux d’évaporation de 3,4 litres par mètre carré et par heure sous un soleil standard. Le prototype transforme l’eau de mer en eau potable sans électricité extérieure, grâce à la lumière du soleil et à un matériau photothermique avancé appelé La0.7Sr0.3MnO3. Le dispositif résout également l’un des problèmes les plus difficiles du dessalement solaire : l’accumulation de sel à la surface de l’évaporateur, qui bloque la lumière et freine les performances. En éloignant le sel dissous du centre chaud pour le diriger vers les bords, le système fonctionne sur de longues périodes tout en produisant de la vapeur d’eau propre, qui peut être condensée en liquide.

Les travaux, dirigés par le professeur Ji Hyun Jang, de l’École d’ingénierie chimique et énergétique de l’UNIST, et publiés dans Advanced Energy Materials, associent une simple structure absorbante en papier à une surface photothermique à haut rendement. Lors des tests de durabilité, le dispositif a fonctionné de manière stable pendant deux semaines dans des saumures contenant 20 % de sel, soit une concentration bien supérieure à la salinité de 3,5 % de l’eau de mer habituelle. Selon l’équipe, la même conception peut permettre de récupérer des ressources, notamment en faisant cristalliser le sel sur les bords pour le collecter au lieu de rejeter la saumure concentrée dans l’océan.

L’intérêt pour le dessalement solaire passif augmente à mesure que davantage de régions sont confrontées au stress hydrique. Des milliards de personnes n’ont pas régulièrement accès à une eau potable gérée en toute sécurité, et les communautés côtières dépendent souvent d’usines de dessalement par osmose inverse alimentées au diesel, coûteuses à exploiter et qui produisent de grands volumes de saumure. Un système modulaire qui produit de l’eau douce uniquement grâce au soleil, avec peu d’entretien et sans raccordement au réseau électrique, pourrait répondre à des besoins essentiels dans des villages isolés, sur des îles, dans des exploitations agricoles et lors d’opérations de secours après des catastrophes. Le dispositif de l’UNIST vise précisément ces besoins : il remplace les infrastructures lourdes à haut débit par des matériaux simples, une géométrie ingénieuse et la lumière du soleil.

Fonctionnement du dispositif

La conception de l’UNIST repose sur un évaporateur caractéristique en forme de L inversé, constitué autour de papier absorbant l’eau. À la manière du papier tournesol, le papier aspire l’eau de mer par capillarité. Au sommet de la partie verticale se trouve une couche photothermique absorbant la lumière, composée de La0.7Sr0.3MnO3, un oxyde pérovskite qui transforme efficacement la lumière du soleil en chaleur. Lorsque l’eau de mer atteint cette surface chaude, elle s’évapore rapidement et laisse le sel derrière elle. La vapeur d’eau rejoint ensuite une surface plus froide, où elle se condense avant d’être recueillie sous forme d’eau douce liquide.

Le sens d’écoulement est un élément clé. L’équipe a conçu un flux unidirectionnel sur la surface chaude, qui crée un gradient de concentration en sel. Les ions dissous migrent vers les zones situées près des bords, où l’activité de l’eau est plus faible, puis cristallisent sous forme de sel solide sans bloquer la lumière. Cet effet autonettoyant maintient la zone photothermique centrale exposée au soleil tout en permettant de récupérer le sel sur les bords pour l’éliminer ou le réutiliser. La géométrie et le parcours du fluide font l’essentiel du travail, ce qui réduit le besoin de pompes, de membranes ou de nettoyages manuels fréquents.

Pourquoi le matériau La0.7Sr0.3MnO3 se distingue

Au cœur du dispositif se trouve le La0.7Sr0.3MnO3, souvent abrégé en LSMO. Il s’agit d’un oxyde pérovskite, une famille de matériaux aux propriétés optiques et électriques ajustables. Contrairement aux pérovskites halogénées à base de plomb courantes dans les cellules solaires, le LSMO contient du lanthane, du strontium et du manganèse, et ne repose pas sur du plomb volatil ou toxique. Il est donc intéressant pour les applications liées à l’eau, où la stabilité et la sécurité environnementale sont essentielles.

Le LSMO est un excellent convertisseur photothermique grâce à la manière dont il gère les porteurs de charge excités par la lumière du soleil. En termes simples, le matériau crée des états pièges dans sa structure électronique. Lorsque la lumière propulse des électrons vers des états d’énergie plus élevés, beaucoup se recombinent sans émettre de lumière et libèrent directement leur énergie sous forme de chaleur. Cette voie non radiative, souvent appelée thermalisation, transforme une grande partie de l’énergie solaire incidente en chaleur localisée à la surface. Une libération efficace de chaleur fait rapidement monter la température et accélère l’évaporation pour une quantité donnée de lumière solaire.

Résoudre le problème du sel

L’encrassement par le sel freine depuis longtemps le dessalement solaire. À mesure que l’eau s’évapore, les sels dissous se concentrent et finissent par cristalliser sur la surface chaude. Les cristaux diffusent la lumière et entravent le transfert de chaleur, ce qui fait fortement chuter les taux d’évaporation. De nombreux systèmes antérieurs fonctionnaient bien pendant quelques heures, avant de nécessiter un nettoyage ou une pause pour éliminer les sels par rinçage. L’équipe de l’UNIST s’attaque à ce problème grâce à la géométrie et au contrôle du flux, sans recourir à des revêtements complexes ou à des pièces mobiles.

La forme en L inversé et le flux unidirectionnel créent un gradient de sel régulier qui éloigne les ions de la zone chaude la plus lumineuse. Les cristaux se forment et croissent sur les bords, où ils sont faciles à collecter. Lors des tests en laboratoire, le dispositif a continué à fonctionner pendant deux semaines, même dans des solutions très salées contenant 20 % de sels dissous au total. Cette concentration est courante dans les saumures rejetées par les procédés industriels et dépasse largement celle de l’eau de mer, ce qui laisse une marge importante pour un fonctionnement en conditions réelles avec de l’eau de mer et pour une éventuelle utilisation dans la concentration de saumures et la récupération de ressources.

Les performances en perspective

Le taux d’évaporation annoncé est de 3,40 kilogrammes par mètre carré et par heure sous un soleil standard. Cette expression désigne un ensoleillement de référence d’environ un kilowatt par mètre carré. Dans des tests similaires, de nombreux distillateurs solaires passifs produisent environ 0,3 à 0,4 kilogramme par mètre carré et par heure : le prototype de l’UNIST est donc huit à dix fois plus rapide. En pratique, la production quotidienne d’eau dépend de l’ensoleillement local tout au long de la journée et de l’efficacité du condenseur qui reconvertit la vapeur en liquide. Sous un fort ensoleillement pendant plusieurs heures, un module d’un mètre carré fonctionnant au taux annoncé pourrait produire plusieurs dizaines de litres par jour. Des ensembles de plusieurs modules permettraient d’accroître encore cette production.

Il convient de distinguer le taux d’évaporation de la quantité d’eau potable effectivement produite. La mesure en laboratoire indique la masse qui quitte chaque heure la surface chaude sous forme de vapeur. Dans un système réel, il faut capter et condenser presque toute cette vapeur dans un réservoir propre, tout en limitant les pertes de chaleur. Une conception efficace du condenseur, une bonne isolation thermique et la réutilisation de la chaleur latente peuvent rapprocher le rendement global du système du taux d’évaporation. L’équipe de l’UNIST souligne également que le comportement antisalissure du dispositif contribue de manière essentielle à la stabilité de la production : une surface photothermique propre conserve son pouvoir d’absorption de la lumière et de production de chaleur au fil du temps.

Comparaison avec le dessalement conventionnel

L’osmose inverse domine le dessalement moderne. Elle pousse l’eau de mer à travers des membranes fines sous haute pression, produisant de grandes quantités d’eau douce pour les villes et l’industrie. Ces performances ont toutefois un coût. L’osmose inverse consomme plusieurs kilowattheures d’électricité par mètre cube d’eau produit, nécessite un prétraitement pour protéger les membranes et rejette une saumure concentrée qui doit être gérée de manière responsable. Les usines exigent d’importants investissements et sont généralement raccordées au réseau ou à des sources d’énergie dédiées.

Un évaporateur solaire passif comme celui de l’UNIST se passe de pression, de pompes et d’une forte consommation électrique. Il produit moins d’eau par unité de temps et de surface, mais peut fonctionner hors réseau, silencieusement et avec un entretien plus simple. La cristallisation du sel sur les bords permet également de réduire le volume de saumure. Dans les climats adaptés, un champ d’évaporateurs modulaires pourrait fournir de l’eau potable à des foyers, des dispensaires ou des exploitations agricoles, tandis que des installations plus importantes pourraient répondre aux besoins d’une communauté. Pour les villes, l’évaporation solaire est plus susceptible de compléter les usines à haut débit que de les remplacer, en offrant une solution de secours résiliente ou une réponse aux besoins des quartiers isolés en périphérie du réseau.

Applications et déploiement

Le dispositif vise les lieux où l’accès au réseau électrique est limité et où les équipes de maintenance sont rares. Les communautés insulaires, les villages de pêcheurs et les exploitations agricoles côtières correspondent à ce profil. C’est également le cas des opérations humanitaires menées après des tempêtes, des séismes ou des conflits, lorsque les infrastructures d’approvisionnement en eau sont hors service. Le concept de l’équipe est modulaire : il peut être déployé sous forme de panneaux individuels pour répondre à de petits besoins ou de groupes de panneaux pour satisfaire une demande plus importante. Son faible niveau sonore et l’absence d’équipements à haute pression le rendent également adapté aux écoles et aux dispensaires, où la fiabilité et la sécurité sont essentielles.

Comme la conception dirige le sel vers les bords, le système peut aussi servir à récupérer des ressources. Au lieu de rejeter de la saumure liquide concentrée, les exploitants peuvent collecter du sel sec et d’autres minéraux cristallisés. Cela peut réduire l’impact environnemental et générer de modestes revenus. L’équipe a évoqué de futures versions associant de nombreux évaporateurs en L inversé au sein de modules plus grands, une approche qui faciliterait leur installation et leur entretien sur le terrain.

Changement d’échelle et défis techniques

Le passage des prototypes de laboratoire à des équipements utilisables sur le terrain exige une attention particulière aux matériaux, à la fabrication et à la gestion thermique. La mèche en papier de l’évaporateur doit résister pendant des mois aux alternances d’humidité et de sécheresse, à l’encrassement biologique par les organismes marins et aux rayons ultraviolets. La surface photothermique doit conserver son pouvoir d’absorption de la lumière et de conversion de la chaleur en se dégradant le moins possible. Le LSMO est un oxyde pérovskite doté d’une bonne stabilité thermique, ce qui constitue un avantage. Les méthodes de production seront déterminantes pour maîtriser les coûts. Des techniques permettant de revêtir uniformément de grandes surfaces à basse température peuvent réduire les dépenses et améliorer la reproductibilité.

La condensation et la récupération de chaleur sont essentielles à l’efficacité du système. Chaque kilogramme de vapeur transporte une grande quantité de chaleur latente. Les dispositifs qui condensent la vapeur sur des surfaces partageant leur chaleur avec l’eau de mer entrante peuvent recycler cette énergie et augmenter la production totale. Les enceintes doivent limiter les pertes de chaleur et les fuites de vapeur tout en restant faciles à nettoyer. La poussière, les embruns et les cristaux de sel doivent pouvoir être éliminés à l’aide de procédures de nettoyage simples. Les tests de durabilité de l’équipe, réalisés à une salinité très élevée, sont encourageants ; des essais de plusieurs mois en milieu côtier permettront néanmoins de confirmer la robustesse à long terme et les besoins en maintenance. Des partenariats avec des organisations humanitaires et des services publics locaux peuvent contribuer à ces essais et orienter les choix de conception selon les climats.

Climat et durabilité

Le dessalement solaire présente des avantages évidents pour le climat dans les sites non raccordés au réseau. Il remplace l’électricité par la lumière du soleil et évite la consommation de carburant et les émissions des générateurs diesel. Les impacts sur l’ensemble du cycle de vie restent toutefois importants, depuis l’extraction du lanthane et du strontium jusqu’à la fabrication des absorbeurs et des boîtiers. Des matériaux durables et un assemblage simple peuvent prolonger la durée de vie opérationnelle et répartir le carbone incorporé sur de nombreuses années de service. L’absence de pompes à haute pression réduit la consommation d’énergie et le bruit, au bénéfice des communautés côtières et de la faune.

Les rejets diffèrent de ceux des usines conventionnelles. En faisant cristalliser le sel sur les bords, l’approche de l’UNIST peut réduire les rejets de saumure concentrée dans les eaux littorales. Lorsque cela est possible, le sel collecté peut être réutilisé dans des procédés industriels ou réintégré sans danger dans des marais salants. Cette approche s’inscrit dans les efforts visant à rendre le dessalement plus compatible avec les écosystèmes marins et avec les objectifs mondiaux de développement en matière d’accès à l’eau potable et d’assainissement. À mesure que le changement climatique intensifie les sécheresses et les vagues de chaleur, des solutions pratiques capables de transformer une eau de mer abondante en eau potable sans consommer beaucoup d’énergie prendront leur place dans les plans locaux d’adaptation.

À retenir

• Des chercheurs de l’UNIST ont mis au point un dispositif de dessalement solaire sans électricité, qui affiche 3,40 kilogrammes par mètre carré et par heure sous un soleil standard.
• La conception associe une mèche en papier et une géométrie en L inversé pour acheminer l’eau de mer jusqu’à une surface photothermique.
• La couche photothermique est composée de La0.7Sr0.3MnO3, un oxyde pérovskite qui transforme la lumière du soleil en chaleur par recombinaison non radiative.
• Un flux unidirectionnel dirige le sel vers les bords, réduisant l’encrassement et l’obstruction de la lumière au centre de la surface chaude.
• Les tests de durabilité ont montré un fonctionnement stable pendant deux semaines dans des solutions contenant 20 % de sel, une concentration supérieure à celle de l’eau de mer habituelle.
• Les distillateurs solaires passifs produisent généralement de 0,3 à 0,4 kilogramme par mètre carré et par heure : le taux annoncé est donc environ huit à dix fois supérieur.
• Le concept permet de récolter le sel et réduit les rejets de saumure liquide par rapport à de nombreuses approches conventionnelles.
• Des ensembles de modules pourraient fournir de l’eau hors réseau à des villages, des dispensaires, des îles et des opérations de secours après des catastrophes.
• La recherche, publiée dans Advanced Energy Materials, a été dirigée par le professeur Ji Hyun Jang, avec le Dr Saurav Chaule comme premier auteur.
• Les rendements et les coûts en conditions réelles dépendront des essais sur le terrain, de la conception du condenseur et de la capacité à produire le dispositif à grande échelle.