环境及气候
从空气中获取水源：对抗干旱的新武器
面对气候变化和人口增长带来的水资源压力，科学家们正在探索从空气中获取水的新技术。这些技术包括雾捕集、辐射冷却凝结和超级吸收材料等，有望为干旱地区带来生机。
即使在科幻小说最富想象力的篇章中，人类对液态水的依赖也无法逃避。《星球大战》三部曲中的主角卢克·天行者在他叔叔的水分保持农场长大，从塔图因星球干燥的大气中提取水分。任何拥有弗兰克·赫伯特小说《沙丘》副本的人，或是在最近的电影院有三个小时空闲时间的人，都知道沙漠星球阿拉基斯的居民同样使用风陷阱从空气中窃取宝贵的水分。
地球上的工程师们也越来越关注大气中的水资源。他们有充分的理由这样做。即使在被称为地球上最干燥地方的智利阿塔卡马沙漠深处，估计雾和露水每平方米可以产生约200毫升的水。在其他地方，大气甚至更加慷慨。全球估计含有12,900立方公里的水，大约是苏必利尔湖的体积。此外，模型表明，由全球变暖驱动的蒸发将在未来50年内使这些水平增加27%。
开发这个看不见的水库是一个优先事项。随着地球温度的升高和人口的增长，越来越多的人可能会缺水。目前有超过23亿人生活在水资源紧张的国家，分析家预测，到2030年，进一步的干旱将迫使其中约三分之一的人离开家园。
从空气中收集水并不是新鲜事。人们普遍认为印加人发明了这项技术，他们在树下放置水桶，收集从海上飘来的浓雾中的凝结水。在加那利群岛，月桂树、杜松树和松树因其与雾气收集的关联而被称为“喷泉树”。居住在阿曼干旱山区的人们长期以来一直在树下建造蓄水池，原因相同。
现代大气水收集遵循许多相同的原则。然而，与使用叶子作为凝结陷阱不同，这些陷阱会滴落在一个不切实际的大区域，现代陷阱由非常细的聚合物网格片组成。当雾气流过这些网格片时，微小的水滴会粘附在聚合物纤维上。这些水滴增长，直到重力将它们拉入一个紧凑的槽中，然后流入蓄水池。虽然收集器的大小不一，但在一个有合理雾气的地区，一个40平方米的收集器每天可以产生约200升水，足以供应60人饮用水。
还可以进一步改进。由波兰克拉科夫AGH大学的Urszula Stachewicz领导的团队发现，通过改变聚合物线程的制造方式，可以使网格片更具生产力。Stachewicz博士推测，通过一种称为电纺的过程精心制造，可以使网格片带有一定的静电，这对雾中的水滴具有吸引力。在2021年进行的实验中，她和一组同事发现，这样的网格片可以产生50%更多的水。
去年8月，她和纽约伦斯勒理工学院的博士生Gregory Parisi通过在网格中添加二氧化钛(TiO2)报告了进一步的改进。以前的研究表明，二氧化钛在紫外线照射下可以变得超亲水(对水极具吸引力)——在非常雾蒙蒙的条件下，这将是一个障碍，因为水会粘附在网格上，而不是滴入蓄水池。然而，在雾气较轻的情况下，Stachewicz博士和Parisi先生发现，增强了TiO2的网格可以提高30%的效果。她的雾气收集器现在正在三个大陆的地点使用。
在更内陆的地方，雾气稀少，需要其他解决方案。一种有效的方法是利用空气中已经存在的水。当温度下降时，空气的水分保持能力也随之降低。这导致多余的水凝结在表面上，一个最常见的例子就是露水。在英国这样水分饱和的地方很常见，但在任何风小、平均相对湿度在70%或更高的地方，都可以从空气中引诱出水。
实现这一点的关键方法是通过辐射冷却，这是一种在夜间发生的现象，当某些材料(如铝)辐射足够的热量，使其冷却到周围环境的气温以下。日落后，水在这些材料上凝结，形成水滴并滴落下来。由这些辐射材料建造的室有时包含吸附性内表面，空气中的水分子很容易粘附在上面。当潮湿的空气飘入这样的室中时，它会在接触到冷却条件前失去水分，然后飘出。这种技术的一个巨大优势是，在像沙漠这样的地方效果最好，那里天空晴朗，白天温度高，夜晚凉爽。
辐射冷却的一个重要限制是其在白天的相对无效性。这一点在2021年发生了变化，当时苏黎世联邦理工学院的Dimos Poulikakos和他的博士生Iwan Haechler制造了一块玻璃，底部有一层银，顶部夹有一层硅聚合物，中间夹有铬层。银层反射掉进入的阳光，而夹层聚合物允许设备以红外线辐射的形式散热。这使得玻璃的温度比周围环境低15°C，即使在炎热的白天也能驱动凝结。配备热屏蔽的凝结室，使用这种玻璃建造的设备每天可以产生每平方米1.2升水。
辐射冷却系统的另一个挑战是需要擦拭收集室表面的水分。这需要电力，通常来自附近的涡轮机或太阳能板，可能会很昂贵。为了降低成本，Poulikakos博士和Haechler博士在室的表面应用了超疏水涂层，迫使水滴从表面弹开，使设备能够在没有电力的情况下运行。
这样的技术确实负担得起，原型本身的成本不到50美元。但在许多急需水的地区，湿度水平太低，露水收集是不可行的。在这些地方，最有前途的选择是那些利用超吸水材料的技术。
许多盐，作为熟悉的氯化钠的化学表亲，会轻易地从空气中抓取水分。考虑到这一点，由沙特阿拉伯国王阿卜杜拉科技大学的彭伟领导的工程团队研究了填充有氯化锂的空心纳米碳胶囊的有效性。2020年，研究人员报告称，当相对湿度低于60%时，这些胶囊可以从周围空气中捕获超过其重量两倍的水分。使用其他盐的类似技术已被证明能够在湿度低至10%的情况下收集水分。
这些发现是有希望的，但这项技术尚未超越原型阶段。问题是效率不高；即使王博士的世界领先胶囊在非常干旱的条件下，也只能在十小时内每公斤氯化锂产生1.6升水。虽然比没有好，但不足以维持一个社区。
然而，这些技术加在一起预示着一个更光明的未来是可能的。那些干燥到自现代记录开始以来就没有降雨的地区，有一天可能会产生足够的水来维持居住。而且不仅仅是在一个虚构的星球上。