麻省理工學院利用超聲波裝置從空氣中振動出飲用水

麻省理工學院的工程師開發(fā)了一種超聲波裝置，能夠快速利用吸附材料釋放大氣中的水分。

通過振動水分子而非加熱，系統(tǒng)大幅提升了效率。它由一個小型太陽能電池供能，每天可以運行多個周期。這一進展可能使離網(wǎng)、空氣驅動的飲用水系統(tǒng)更加實用。

采集空氣中的水

在干枯的地方口渴了嗎？科學家可能讓我們可以直接從空氣中取飲用水。

即使是非常干燥的地方，也仍含有少量濕氣，合適的物質可以捕捉并釋放成干凈的飲用水。近年來，研究人員創(chuàng)造了許多類似海綿的材料，能夠進行這種“大氣水收集”。

然而，將收集的水從這些材料中取回通常需要熱量和耐心。大多數(shù)系統(tǒng)依賴陽光加熱材料，直到被困的水分蒸發(fā)并凝結成液態(tài)，這一過程可能持續(xù)數(shù)小時甚至數(shù)天。

麻省理工學院的工程師現(xiàn)在發(fā)表了加快這一恢復步伐的方法。團隊沒有依賴陽光引導水流出，而是使用超聲波振動，物理地搖晃出水分。

超聲：更快的取水之路

研究人員設計了一種產生高頻振動的超聲波裝置。當一種稱為“吸附劑”的吸水材料放置在頂部時，裝置會發(fā)出調諧的超聲波，以松動吸附劑中的水分子。根據(jù)團隊的測試，該裝置只需幾分鐘即可提取水分，而熱量方法則需要數(shù)十分鐘或數(shù)小時。

由于不使用熱量，設備需要外部電源。團隊采用一個小型太陽能電池可以運行系統(tǒng)，同時作為傳感器，在吸附劑達到滿負荷時發(fā)出信號。該裝置甚至可以編程為當水量充足時自動激活。有了這種自動化，系統(tǒng)可以實現(xiàn)超聲波水系統(tǒng)的供電與自動化。

麻省理工學院機械工程系首席研究科學家斯韋特拉娜·博里斯基娜(Boriskina)表示：“人們一直在尋找從大氣中收集水的方法，大氣可能是重要的水源，尤其是沙漠地區(qū)和那些甚至沒有海水淡化的地方，現(xiàn)在我們有了快速高效回收水的方法。

這項研究剛剛發(fā)表在《自然通訊》上，并介紹了他們的設備。

麻省理工學院的突破

博里斯基娜在麻省理工學院的團隊專注于以創(chuàng)新方式與環(huán)境互動的材料。團隊最近探討了大氣水收集（AWH）以及如何利用材料工程從空氣中吸取水分。如果這些系統(tǒng)可靠，將極大地幫助那些飲用水資源有限、甚至缺乏海水淡化鹽水選項的社區(qū)。

像許多研究人員一樣，博里斯基納的團隊最初認為，戶外部署的AWH系統(tǒng)會在夜間收集水分，白天則依靠陽光自然蒸發(fā)被困的水分，使其冷凝以收集。

挑戰(zhàn)提取水分的困難

團隊的Shuvo一直在利用超聲波技術應用于可穿戴醫(yī)療設備。當他和博里斯基娜共同考慮新項目時，他們意識到超聲波可以加快大氣水收集的回收過程。

超聲波是如何振動自由取水？超聲波，，是一種聲壓波，傳播頻率超過20千赫茲（20,000次每秒）。這些高頻波對人類來說既看不見也聽不到。而且，正如團隊發(fā)現(xiàn)的，超聲波振動頻率恰到好處，能夠將水分從材料中抖出。

通過超聲波，研究人員們可以精 確切斷水分子與其所在位置之間的弱鍵，就像水在隨波浪跳舞，這種有針對性的擾動產生動量，釋放水分子，他們可以看到空氣中的水分以水滴的形式搖晃出來。

舒沃和博里斯基納設計了一種新型超聲波執(zhí)行器，用于從大氣中的水收集材料中回收水分。器件的核心是一個平坦的陶瓷環(huán)，電壓施加時會振動。這個環(huán)被一個外環(huán)包圍，外環(huán)鑲嵌著細小的噴嘴。從材料中抖落出來的水滴可以通過噴嘴落入振動環(huán)上下的收集容器中。

高頻水釋放裝置

他們在一種先前設計的大氣中集水材料上進行了測試。團隊先將每個樣品放入設定不同濕度水平的濕度室中。隨著時間推移，樣品吸收水分并變得飽和。研究人員隨后將每個樣品放置在超聲波執(zhí)行器上，并啟動使其以超聲波頻率振動。無論哪種情況，裝置都能在幾分鐘內抖出足夠的水。

研究人員計算出，與使用太陽能熱量相比，超聲波設計在從同一材料中提取水分的效率是其45倍。

這種裝置的美妙之處在于它完全互補，可以作為幾乎任何吸附材料的附加組件，設計一個實用的家用系統(tǒng)可能由快速吸收材料和一個超聲波執(zhí)行器組成，每個裝置大小約為一扇窗戶。一旦材料飽和，執(zhí)行器會短暫啟動，由太陽能電池供能，以抖出水分。材料隨后可以分多個周期收集更多水。有了超聲波，人們可以快速回收水分，并且可以反復循環(huán)。