在左侧，查看冷凝器单元。在右边，是装置正在排水的特写镜头。信用:周明，UW-麦迪森获得清洁水是一个巨大的问题，在全球范围内。即使在有水资源的地区，缺乏基础设施或可靠的能源意味着水的净化有时极其困难。这就是为什么布法罗大学和威斯康星大学麦迪逊分校的工程师设计的水蒸气冷凝器可能是革命性的。与其他只能在夜间运行的辐射蒸汽冷凝器不同，新设计在阳光直射下工作，不需要能量输入。
“在过去的几年里，我们一直致力于太阳能驱动的水蒸发技术，”UB电气工程教授、著名通讯作者甘巧强博士说。“我们现在正在解决水循环的后半部分——冷凝。”
“水的可持续性是一个全球性的问题，”另一位著名的通讯作者，UW大学电机与计算机工程副教授俞宗福博士说。“不解决能源问题，你就无法着手解决水资源问题。”
于、甘和他们的学生在3月31日在线出版的《国家科学院院刊》上描述了这种新型辐射蒸汽冷凝器。
技术借鉴黑暗甲虫
辐射冷却的想法并不新鲜。事实上，它在自然界中被昆虫使用，比如在非洲西南部纳米布沙漠发现的暗甲虫。在环境温度变冷的晴朗夜晚，暗甲虫壳释放出中红外范围的额外热量，也被称为大气透明窗。这些热量自然地辐射到地球寒冷的上层大气和寒冷的太空。
这种热量损失将甲虫的温度降低到露点以下，或者空气中的水蒸气在较冷的表面凝结成水滴的温度(想象一下热天的一杯冰茶)。然后，甲虫能够利用特殊的凹槽和结构将水分引向它的嘴，从而获取水分。
在过去的几十年里，研究人员基于同样的原理设计了露水收集器，使用特殊的材料像甲虫壳一样有效地散热。问题是这些收集器只能在晚上工作，因为阳光产生的热量比材料散发的热量要多。
在这个项目中，由UW-麦迪森博士后研究员周明领导的团队利用一种叫做聚二甲基硅氧烷(PDMS)的薄膜材料构建了一个小型蒸汽冷凝器，这种材料在大气透明窗口中释放热辐射非常有效。他们把它覆盖在反射阳光的银上。两者的结合能够将冷凝器冷却到露点以下，从而导致冷凝。
由可广泛获得的廉价材料制成
周测试了这个装置，把它放在一个盒子状的冷凝室里，旁边的冷凝室里有一个市售的露水收集材料和一个简单的黑色物体。该团队将加湿空气泵入三个房间，它们位于UW-麦迪森大楼的顶部，在另一项测试中，位于一个停车库的顶部。聚二甲基硅氧烷是唯一在阳光直射下凝结水蒸气的材料。
“从根本上说，我们的辐射冷凝器被设计成与高层大气和外层空间的巨大冷库‘热接触’”，合著者米哈伊尔·卡茨说，他是UW-麦迪森电气和计算机工程副教授。“通过这种热接触获得的冷却功率使白天的水冷凝成为可能，而不需要外部电源。”
另一个好处是聚二甲基硅氧烷是一种可广泛获得的相对便宜的材料，并且银背衬对于冷凝器的工作不是必需的。
“材料的成本和可用性一直是这类应用的障碍。但我们的系统不是这样，它更接近现实，”甘说。
初创公司阳光清洁水正在将这项技术商业化
目前，于和甘希望通过他们的公司Sunny Clean Water LLC将这种冷凝器商业化，方法是将它与他们研究过的另一种被动工艺——太阳能蒸汽产生相结合。他们的想法是创造一个系统，在这个系统中，未经处理的水甚至海水被蒸发，然后通过冷凝器，用太阳作为唯一的能源来净化它。
最终，该团队希望该系统足够高效，能够直接从空气中产生水。这是一个他们正在努力优化的过程。“这个实验是用一些受控的水蒸气完成的，”于说。“现在，下一步是把水直接从空气中抽出来。这对我们来说非常非常令人兴奋——不用能源就能免费从空气中获取水。”
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