仙人掌能吸取空气水分,人类能创造新的水源吗?

2016/08/08

大自然是人类的母亲,她教会人类运用机械来减少人力的劳苦。当然,不劳而获是不可能的,关键在于悟性!

看到草帽飞跑,人们想到制作车轮;看到蜻蜓和小鸟展翅高飞,人们发明了飞机;只要密切观察大自然的各种生物现象,就能找到丰富的灵感,来为人类社会制造奇迹!

一些生活在沙漠中的生物,能够依靠独特的身体结构吸收空气中的水分。现在,人类也在学着这么做了。

空气取水

饮用水来自哪里?中学地理课上曾讲过水循环:自然界中的水在太阳能的作用下,以不同形态在海洋、天空和陆地之间存在并流动着,而饮用水大多都是通过净化地表水获得的。不过,哈佛大学的研究团队给出了一个新的答案:空气。

一些生活在沙漠中的生物,能够依靠独特的身体结构吸收空气中的水分,以此满足基本的生存需要。来自哈佛大学Wyss生物工程研究院(下简称“Wyss”)的研究员们,就从这些动物身上获得了灵感。通过研究沙漠甲壳虫、仙人掌和猪笼草的生物特征,他们联合哈佛大学工程与应用科学学院(下简称“SEAS”),共同研发了一种能从空气中收集水并实现运输存储的仿生材料。

对生物工程研究院的研究者来说,从空气中取水其实并不是一个新课题。Wyss和SEAS对此的研究始于2013年。

制造从空气中吸水的材料不是难事,这和冬天的玻璃窗朝室内的一面常常有雾气的原理相似。德国不来梅大学也曾研究过一种大平面的聚合物类材料,夜间从空气中吸收水分,白天受热后释放出水。

但要让获得的水量能够满足使用,就是另一回事了。如何在短时间内收集到足够多的水,Wyss和SEAS研究的仿生材料试图解决的就是这个问题。

仿生材料最初采用的是光滑多孔的表面。研究团队认为,光滑表面可以最大程度地减少摩擦力,有助于水滴凝结和流动。然而实验结果却表明,随着水量逐渐增多,水滴会在光滑表面粘连,影响吸水效率。直到去年,他们才从甲虫和仙人掌身上找到突破口。今年2月,他们将研究成果发表在了《自然》杂志上。

“纳米布沙漠甲虫凹凸不平的背部可以快速地从空气中吸收水分,仙人掌用的则是它不对称的V形掌刺。”Wyss研究员Kyoo-ChulPark对《第一财经周刊》说。这说明,相比光滑的平面,粗糙质地的材料更具吸水性。

于是,研究员们改进了仿生材料,在3D打印出的聚合物上覆盖一层薄薄的铝膜,使它拥有着类似甲壳虫背部的特殊几何构造。正是这种构造,加速了空气中的水汽凝结速度,也让仿生材料的吸水量提高了一个量级。

过去100年内,全球人口增加了3倍,人类对水资源的需求量增加了6倍。目前,全球有10亿人口缺乏饮用水,而到2025年,缺水人口预计将达到全球人口总数的 60%。

事实上,人类一直在开拓获取淡水资源的途径。但无论是海水淡化还是水资源回收利用,都由于成本高昂或操作性不强等原因未能普及。

解决方法可能就存在于空气中。这里集结着12.9万亿吨气态水。只要吸取其中1%的水量,就能满足全球家庭120天的用水量—空气可能成为未来人类生活用水的重要“水源”。

我们可以轻易地利用地表水资源,但要“抓住”蒸发在空气中的水资源却不容易。它们中的一部分会变成雨雪落回地面,更大一部分则流向海洋,其中一些则会在落地之前蒸发。很多不具备降水条件的地方,并不意味着空气中没有足够的水。哈佛研究的仿生材料,目的就在于收集流失在空气中的这些水资源,通过人工的参与,更加均衡地分配它们。

除了具备从空气中取水的功能,这种仿生材料更重要的一个特点是,它还具备运输功能,这是该材料可能投入应用的关键,也是整个研究过程中的最大难点。

仿生材料的突起形态、弯曲程度、横截面形状以及表面湿度,都会对取水和输水过程有影响。为了减少水滴在运输过程中的损耗,Wyss和SEAS研发了一种叫SLIPS的技术(SlipperyLiquid-InfusedPorousSurfaces)。就好像在材料粗糙的表面涂了一层润滑剂,这种技术不仅能让仿生材料表面的摩擦力近乎为零,还能起到导流作用,让水滴在材料中有方向地流动。“仙人掌的内部有着值得我们学习的复杂输水网络,此外,SLIPS技术的灵感还来源于猪笼草体内涂满黏液的光滑表面。”Kyoo-ChulPark说。

即使在最干旱的环境下,仿生材料也能在不影响当地自然生态环境的前提下,完成从空气中取水的任务。比如撒哈拉沙漠地区,根据Kyoo-ChulPark团队成员的研究,那里年平均气温为30摄氏度,平均相对湿度为25%。正常气压下,每立方米的空气中含有8克水。这意味着,在一个普通房间大小的空间内,存在16升气态水。这些水能够满足两个人一天的饮水需求。

美国的SunToWater技术公司也发现了同样的现象。这家公司主要研究制造出能从空气中取水的装置。2015年,为了应对加利福尼亚的干旱环境,该公司研发了3套设备,用于解决供水问题。其装置在相对湿度只有14%的极度干旱条件下也能工作。有趣的是,SunToWater团队也是从一种沙漠生物—蜘蛛身上获得的灵感。

空气中的水气经过装置的冷凝、净化作用后,可以直接达到饮用水标准。这将大大降低饮料公司和餐厅的用水成本。而水蒸气凝结过程中释放出的大量热能,也是一种新的能源。这些能源可以应用于火电厂冷凝器,空调系统以及蒸馏塔,为工业生产提供高效的传热设备。

Wyss和SEAS已经就该技术提出专利申请,不过在投入市场之前,还需要经过大量试验。SunToWater公司的设备也还未大规模投入使用。

阻碍空气变水技术进入市场的最大问题是还是成本。“每提取1升水,需要花费1美分,这甚至比海水淡化还要昂贵。”SunToWater创始人兼首席执行官BenjaminBlumenthal说。如果大规模使用则需要铺设管道和动力等一系列配套装置,总造价将高达数十亿美元。除非市场需求足够大,产量能拉低平均成本,否则如此巨大的成本投入,不是一般公司所能够承受的。

无论如何,从空气中取水的研究为水源问题提供了一种新的可能性。Kyoo-ChulPark和他的研究团队相信,空气取水材料未来会有很多应用空间。“我们正和一些公司共同研究这种仿生材料的潜力,还有许多市场研究需要做。”而将他们的仿生材料应用在SunToWater公司的集水设备上,就是一个不错的主意。

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