近日，麻省理工學(xué)院（MIT）機(jī)械工程系Chad T. Wilson、Bachir El Fil、Carlos D. Diaz-Marin等人成功開(kāi)發(fā)出一種基于吸濕性水凝膠的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)裝置，可在全球最干旱的阿塔卡馬沙漠中從空氣中高效收集淡水。該技術(shù)通過(guò)物理模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合低成本材料，為極端干旱地區(qū)的水資源短缺問(wèn)題提供了創(chuàng)新解決方案。

2025年5月9日，相關(guān)論文以”Solar-driven atmospheric water harvesting in the Atacama Desert through physics-based optimization of a hygroscopic hydrogel device“為題發(fā)表在Device期刊上。第一作者為麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系Chad T. Wilson博士,Carlos D. Diaz-Marin博士為共同第一作者，麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系博士后Bachir El Fil（現(xiàn)任教于佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程系助理教授）、Chad T. Wilson博士為共同通訊作者。該研究論文被Nature以“Atacama sunshine helps to pull water from thin air”為題，作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。

技術(shù)核心：水凝膠復(fù)合材料與系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化

采用聚丙烯酰胺-氯化鋰（PAM-LiCl）水凝膠復(fù)合材料作為吸濕核心材料。該材料在夜間吸收空氣中的水分，白天通過(guò)太陽(yáng)能加熱釋放水蒸氣，經(jīng)冷凝后轉(zhuǎn)化為液態(tài)水。通過(guò)建立熱質(zhì)傳輸模型，團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了裝置的關(guān)鍵參數(shù)（如水凝膠厚度、蒸汽間隙等），使系統(tǒng)熱效率提升至16%，最大日產(chǎn)水量達(dá)1.7升/平方米（L/m2/天）。

圖1. 基于水凝膠的 SAWH 系統(tǒng)

圖2. 水凝膠 SAWH 裝置的熱流體優(yōu)化

極端環(huán)境測(cè)試：從城市到沙漠

研究團(tuán)隊(duì)在兩種環(huán)境中驗(yàn)證了裝置性能：

• 城市環(huán)境：在美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）屋頂測(cè)試中，裝置在平均濕度50%、日均太陽(yáng)輻照639 W/m2的條件下，實(shí)現(xiàn)了1.7 L/m2/天的產(chǎn)水量。

• 沙漠環(huán)境：在阿塔卡馬沙漠（年均降雨量<1 mm）的極端測(cè)試中，裝置在夜間濕度38%、日間溫度劇烈波動(dòng)（5°C至28°C）的條件下，仍產(chǎn)出0.62 L/m2/天的水量，熱效率為9.3%。

圖3. SAWH 裝置在城市環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4. 阿塔卡馬沙漠的戶外測(cè)試結(jié)果

低成本與可擴(kuò)展性

裝置采用商業(yè)化材料（如硼硅玻璃、黑色噴涂鋁板）和模塊化設(shè)計(jì)，成本控制在50-150美元/平方米，具備大規(guī)模推廣潛力。研究團(tuán)隊(duì)估算，若設(shè)備壽命達(dá)20年，其單位水成本可媲美城市自來(lái)水價(jià)格。

圖5. 水質(zhì)、系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估以及與當(dāng)前已發(fā)布的無(wú)源 SAWH 設(shè)備設(shè)備的性能比較

水質(zhì)與挑戰(zhàn)

水質(zhì)檢測(cè)顯示，裝置產(chǎn)水中的銀、鎂、鐵等元素含量均低于美國(guó)環(huán)保署（EPA）飲用水標(biāo)準(zhǔn)，但鋰和鋁略有超標(biāo)，推測(cè)與冷凝器表面污染有關(guān)。未來(lái)需改進(jìn)材料處理工藝以確保安全性。

科學(xué)意義與未來(lái)應(yīng)用

此項(xiàng)工作首次將系統(tǒng)級(jí)物理模型與水凝膠材料特性深度結(jié)合，突破了傳統(tǒng)空氣取水設(shè)備在低濕度環(huán)境中的性能瓶頸。該技術(shù)不僅適用于個(gè)人或社區(qū)級(jí)淡水供應(yīng)，還可擴(kuò)展至農(nóng)業(yè)灌溉和應(yīng)急救災(zāi)領(lǐng)域。

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來(lái)源：高分子科技