24小时从大气中获取新鲜饮用水

苏黎世联邦理工学院

苏黎世联邦理工学院大楼顶上的先导冷凝器。Credit: ETH Zurich / Iwan Hächler

淡水在世界上很多地方都是稀缺的,必须花费巨大的代价才能获得。海洋附近的社区可以为此目的淡化海水,但这样做需要大量的能源。在远离海岸的地方,实际上通常唯一剩下的选择是通过冷却来压缩大气湿度,要么通过同样需要高能量输入的过程,要么通过使用利用昼夜温度变化的“被动”技术。然而,目前的被动技术,如露珠收集箔,只能在晚上提取水。这是因为太阳在白天加热箔,使凝结不可能。

自我冷却和防辐射

苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员现在开发了一项技术,该技术首次允许他们24小时收集水,无需能量输入,即使在烈日下也不需要。新装置基本上由一层特殊涂层的玻璃组成,它既能反射太阳辐射,也能通过大气层将自身的热量散发到外太空。因此,它可以将自身温度降低到比环境温度低15摄氏度(59华氏度)。在这块玻璃的下面,空气中的水蒸气凝结成水。这一过程与冬天在隔热性能差的窗户上观察到的过程相同。

科学家们在玻璃上涂上了特别设计的聚合物和银层。这种特殊的涂层方法使玻璃在特定波长的窗口向外太空发射红外辐射,不会被大气吸收,也不会反射回玻璃上。该装置的另一个关键部件是一种新型的锥形辐射屏蔽。它很大程度上偏转了来自大气的热辐射,并保护玻璃免受太阳辐射,同时允许设备向外辐射上述热量,从而完全被动地自我冷却。

接近理论最优

正如在苏黎世ETH建筑的屋顶上进行的真实环境下的新设备测试显示,与目前最好的基于箔片的无源技术相比,新技术每天在每个区域产生的水至少是前者的两倍:这个小的试点系统的玻璃直径为10厘米,在现实条件下每天提供4.6毫升的水。带有更大玻璃的更大的装置会相应地产生更多的水。科学家们能够证明,在理想条件下,他们每小时每平方米玻璃表面最多可收获0.53分升(约1.8液盎司)的水。“这接近每小时0.6分升(2.03盎司)的理论最大值,这在物理上是不可能超过的,”Iwan Hächler说。他是Dimos Poulikakos团队的博士生,Dimos Poulikakos是苏黎世联邦理工学院热力学教授。

其他技术通常需要从表面清除凝结水,这需要能量。如果没有这一步,很大一部分的凝结水将会附着在表面,阻碍进一步的凝结而不能使用。苏黎世联邦理工学院的研究人员在他们的水冷凝器的玻璃底部应用了一种新型的超疏水涂层。这就会使凝结水凝结成珠状,然后自动地流动或跳跃。“与其他技术相比,我们的技术可以在不需要任何额外能源的情况下运行,这是一个关键优势,”Hächler说。

这组科学家的目标是为缺水国家,特别是发展中国家和新兴国家开发一种技术。现在,他们说,其他科学家有机会进一步发展这项技术,或将其与其他方法结合,如海水淡化,以提高产量。镀膜玻璃的生产相对简单,建造比目前试点系统更大的水冷凝器应该是可能的。与太阳能电池的特点相似,几个水冷器也可以并排放置,组成一个大规模的系统。

参考文献:Haechler I, Park H, Schnoering G, Gulich T, Rohner M, Tripathy A, Milionis A, Schutzius TM, Poulikakos D, 2021年6月23日,“利用辐射冷却从大气中不间断地收集水”科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.abf3978

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