用“空氣”種菜

黃志明

說到沙特阿拉伯，想必許多同學(xué)對那里的氣候和地理環(huán)境都有所了解。沙特阿拉伯的夏季炎熱干燥，最高氣溫甚至可達(dá)50℃以上，而且降雨量很少，年平均降雨量不超過200 毫米，春季和夏季更少。就是這么一個地球上最不可能想象綠葉蔬菜能繁茂生長的地方，一顆“綠色”的種子正在悄然萌發(fā)……

空氣中采水，沙漠里種菜

2022 年3 月，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)的科學(xué)家發(fā)表了一項(xiàng)研究，展示了在沙漠地區(qū)如何利用太陽能電池板從空氣中提取足夠的水蒸氣來澆灌種子，并在沙漠中種植蔬菜，幾周后就能收獲的整個過程。這項(xiàng)創(chuàng)造既解決了發(fā)電問題，又可用來提取飲用水，還能給當(dāng)?shù)毓?yīng)蔬菜，可謂一舉三得。那么，這套裝置到底是怎么工作的呢？

這套裝置是一種由太陽能驅(qū)動的集成水、電、作物聯(lián)合生產(chǎn)的光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)由涂有水凝膠的太陽能電池板組成，這些涂有水凝膠的太陽能電池板被安裝在一個巨大的金屬盒子的頂部。放置在太陽下，這個盒子就可以收集空氣中的水蒸氣，并將其凝結(jié)成液態(tài)水，用于灌溉農(nóng)作物。

另外，水凝膠通過吸收熱量和降低電池板的溫度，將太陽能電池板的發(fā)電效率提高了9%。沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)的科學(xué)家曾進(jìn)行了為期兩周的植物生長試驗(yàn)，他們只用從空氣中收集的水來灌溉60 顆種植在植物生長箱中的菠菜種子。在試驗(yàn)過程中，這塊與課桌桌面大小相似的太陽能電池板共產(chǎn)生了1.5 千瓦·時的電量，使60 顆菠菜種子中的57 顆發(fā)芽正常生長至18 厘米。總的來說，在兩周時間內(nèi)，大約有2 升水從水凝膠中冷凝出來。

神奇的水凝膠

那么，裝置中的水凝膠究竟為何物，竟然如此神奇？

原來，水凝膠是一種柔軟的親水聚合物，可以吸收空氣中的水蒸氣，加熱時會釋放出水。這種水凝膠用于太陽能電池板，可以捕獲并利用水來冷卻太陽能電池板，增加太陽能電池板的能量輸出。而收集到的水蒸氣也可以飲用或澆灌作物。隨著水凝膠的應(yīng)用，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)發(fā)電量增加了近10%。不僅如此，種植作物的成活率也達(dá)到了95% ！

水凝膠被描述為“低成本”，因?yàn)樗z使用的材料便宜到每千克只要1 美元。更重要的是，這項(xiàng)技術(shù)解決了太陽能電池板一個鮮為人知的問題：它利用了太陽能電池板無法實(shí)際使用的太陽光能量。商用太陽能電池板通常只可以將所吸收的太陽光中的25% 轉(zhuǎn)化為電能，而其余的要么以熱量的形式損失，要么會加熱電池板，這反過來又降低了太陽能電池板的效率。由于太陽能電池板的效率會隨著溫度升高而降低，因此在炎熱的環(huán)境中，散熱問題就會變得更加突出。

雖然水凝膠吸收了環(huán)境中的水蒸氣，但正是太陽能電池板產(chǎn)生的過量熱量將吸收的水趕出了水凝膠。在夏季和冬季，這種水凝膠可以從夜間悶熱的空氣中吸收水分，然后隨著白天溫度的上升而釋放水分。

未來可期

如今，世界仍有部分人口無法獲得干凈的水和綠色能源，其中很多人生活在農(nóng)村和干旱或半干旱氣候地區(qū)。世界衛(wèi)生組織估計(jì)，全球至少有20 億人缺乏安全飲用水，8 億人無法用上電，7 億人持續(xù)遭受饑荒。這一項(xiàng)全新的設(shè)計(jì)在產(chǎn)生清潔能源的同時，從空氣中提取水，并適用于沙漠和海洋島嶼等偏遠(yuǎn)地區(qū)的分散、小規(guī)模農(nóng)場。如果這一項(xiàng)創(chuàng)造能順利應(yīng)用并得到推廣，那將會給人類帶來極大的福音！