缺水的地球
随着人口的持续增长，淡水资源缺乏成为全球性问题。要想获得清洁的饮用水往往需要消耗大量的能量，因此，那些不耗能的被动水净化技术受到青睐，如辐射蒸汽冷凝。高手也不是万能的纳米布沙漠中的暗甲虫是使用这种技术的高手。在夜晚它们的身体会释放出8~13微米波长的中红外光，在这个波长范围内几乎没有从大气返回到甲虫的辐射，所以就能形成净热量损失，可以将甲虫的身体冷却到水蒸气的露点以下，使得空气中的水蒸气冷凝。但是暗甲虫的这种绝招只有在晚上才能发挥功效。这是由于在太阳底下，甲虫黢黑的身体吸收的热量达到了W·m2，远超身体的辐射冷却功率（W·m2），根本没办法让自身降温。要是能发明一种白天、甚至在太阳底下也能正常使用的辐射冷凝技术，就能24小时都能喝上纯净水了。成果介绍威斯康星大学麦迪逊分校YuZongfu和纽约州立大学GanQiaoqiang教授课题组开发了一种在白天也能正常工作的辐射冷凝器。通过对冷凝器进行光谱设计，使其对太阳光中的可见和近红外光吸收最小，同时保持其热辐射主要集中在中红外区域。基于此原理，他们以微米厚的PDMS为辐射层，以1mm厚的银涂层为反射层制造了一种新型辐射冷凝器，发现即使在阳光照射下，这种冷凝器的表面温度始终低于室温8℃，日产水量是商用产品的2倍。批量制造时，每平米薄膜仅需15美元，寿命估计为10年。冷凝器设计原理图1.辐射蒸汽冷凝器设计原理。光谱设计是该技术的核心。在白天，黑体的吸收光谱大致可以分为四个部分：0.3~4微米波长主要来自太阳辐射，大于4微米的主要来自大气的热辐射，其中4~8微米的大气辐射很强，8~13微米的大气辐射较弱，超过13微米后大气辐射再次变强。因此，关闭那些黑体吸收强的辐射通道，打开吸收弱（反射强）的通道就有可能降低黑体表面温度。因此，研究者关闭了太阳辐射通道，打开了大气辐射通道，虽然这种设计不会最大限度的降低表面温度，但对于冷凝来说却最有效，因为被动冷凝系统中大多数冷凝水是在高于环境温度下得到的，如图一（D）中红线所示，其冷凝效率提高了一倍。理想变为现实图2.辐射冷凝器实验装置。研究者利用铝箔、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和银涂层组装了一台实验装置，厚度分别为微米、纳米和1毫米。PDMS层负责释放热辐射，利用硅氧键和硅碳键的振动，能够发出大于4.5微米的波长，发射率接近1，银反射层负责反射太阳光以尽量降低冷凝器温度。他们发现这一装置在白天可以反射93%的太阳辐射（0.3~4微米），在大于4微米的中红外区域具有高效的发射率。他们将装置放在屋顶上，发现从早上7点到晚上7点，冷凝器的温度始终比环境温度低8℃，这对于实现24小时的辐射冷凝至关重要。是骡子是马拉出来溜溜图3.辐射冷凝器对比结果。为了验证新型辐射冷凝器的效果，研究者选择了传统的对流冷凝器、黑体和商用辐射冷凝器进行对比。实验在年3月10日~11日进行，白天太阳的峰值高度在地平线以上43°左右，最大太阳辐照度为W·m2，环境温度低于10℃，太阳反射率为%时的理论最大冷凝速率为0.08L·m2·h-1，相对湿度为90%~95%的潮湿空气以0.9m3·h-1的速率泵入所有冷凝器中。研究者发现，黑体吸收了所有的太阳辐射，温度始终高于环境温度，根本无法凝结蒸汽；商用冷凝器只能在早上起作用，超过上午11点冷凝效率为零；新型冷凝器温度始终低于环境温度，可以在一整天内不断冷凝蒸汽，日产水量是商用冷凝器的两倍。应用广泛的新型辐射冷凝器研究者认为这种新型的辐射冷凝器不是为了替代传统的冷凝器，相反是对它们的补充，当蒸汽温度接近或者低于室温时，这种新型的冷凝器就有用武之地了。可以将其与太阳能集热器相结合，集热器蒸发海水产生高温水蒸气，然后在新型冷凝器上冷凝，他们发现这样结合后新型冷凝器的产水量增加了40%每平米不到元最后，研究者探讨了一下新型冷凝器的成本和可靠性。PDMS价格为每公斤美元，当辐射层的厚度为微米时，一公斤可制造10平方米，也就是每平米15美元（97.8元人民币），使用寿命估计为10年。当然，与太阳能集热器结合使用时寿命会降低，可以提高一下材料厚度或者加一个防护罩。小结为了开发出白天也能正常工作的辐射冷凝器，研究者基于光谱设计的原理开发了一种微米厚的PDMS辐射层，利用硅氧键和硅碳键的振动，能够辐射出波长大于4.5微米的中红外光，同时利用1mm的银涂层反射太阳光，实现了辐射冷凝器的全天候使用，冷凝器的温度始终比环境温度低8℃，新型冷凝器的日产水量是商用产品的两倍。这种新型冷凝器每平米辐射层的制造成本仅15美元，寿命可以达到10年。这种技术打破了传统辐射蒸汽冷凝器只能在夜晚使用的限制，特别适合于在沙漠这种阳光充足、缺乏淡水资源的环境中使用。原文链接：
