在水资源日益紧张的今天，从空气中提取饮用水的技术成为科学家们关注的焦点。麻省理工学院(MIT)的工程师们近日取得突破性进展，研发出一种革命性的超声系统，能够将水从空气取水材料中快速回收，将传统方法需要数小时甚至数天的过程缩短至几分钟。
传统方法的局限
目前，大多数空气取水系统依赖于吸水材料(称为"吸附剂")在夜间吸收空气中的水分，然后在白天利用太阳能加热使水分蒸发并凝结收集。然而，这种方法存在明显局限：
- 时间成本高：水分蒸发和凝结过程往往需要数小时甚至数天
- 能源依赖：完全依赖太阳能，在阴天或夜间无法工作
- 效率低下：吸附良好的材料往往难以释放水分，需要大量能量
正如MIT机械工程系首席研究科学家斯维特拉娜·博里斯金娜(Svetlana Boriskina)所言："任何非常善于捕获水的材料都不愿意放弃这些水。因此，你需要投入大量能源和宝贵的时间才能将水从材料中提取出来。"
超声技术的突破
博里斯金娜团队与媒体艺术与科学研究生伊克拉·伊夫特卡尔·舒沃(Ikra Iftekhar Shuvo)合作，将超声技术应用于空气取水领域，开发出一种创新的超声致动器，能够高效快速地回收水分。
超声工作原理
超声波是指频率超过20千赫(每秒20,000个周期)的声压波，这种高频率波对人类不可见或不可闻。研究团队发现，超声波恰好以合适的频率振动，能够将水分子从材料中"震出"。
"通过超声波，我们可以精确破坏水分子与其所在位点之间的弱键，"舒沃解释道，"这就像水波在共舞，这种有针对性的扰动产生动量，释放水分子，我们可以看到它们以液滴形式震出。"
系统设计与结构
超声致动器的核心是一个扁平的陶瓷环，通电时会产生振动。这个环周围环绕着一个带有微小喷嘴的外环。从材料中震出的水滴可以通过喷嘴滴入附着在振动环上方和下方的收集容器中。
MIT工程师设计的超声系统可以从空气取水材料中"震出"水。新设计能够在几分钟而不是几小时内回收捕获的水。
实验验证与效率提升
研究团队在先前设计的空气取水材料上测试了该设备。使用四分之一大小的材料样品，团队首先将每个样品放入湿度室，设置在不同湿度水平下。随着时间的推移，样品吸收水分并达到饱和状态。然后，研究人员将每个样品放置在超声致动器上，并通电使其以超声频率振动。在所有情况下，该设备都能在几分钟内震出足够的水分，使每个样品干燥。
研究人员计算得出，与使用太阳能加热相比，超声设计从相同材料中提取水的效率提高了45倍。
系统优势与应用前景
与现有技术的互补性
"这个设备的优点在于它完全互补，可以添加到几乎所有吸附剂材料上，"博里斯金娜表示。她设想一个实用的家用系统可能由一个快速吸收材料和超声致动器组成，每个大小约为一扇窗户。一旦材料饱和，致动器将由太阳能电池短暂供电，将水震出。然后材料准备好再次收集水，在一天内进行多次循环。
全天候工作能力
与依赖阳光的传统系统不同，超声系统只需要一个电源。研究团队设想该设备可以由小型太阳能电池供电，太阳能电池还可作为传感器检测吸附剂何时已满。它还可以编程为每当材料收集足够多的水分可提取时自动开启。通过这种方式，系统可以在一天内的多个周期中吸收并从空气中震出水分。
水资源可持续性
"关键在于每天可以提取多少水，"博里斯金娜指出，"使用超声波，我们可以快速回收水，一次又一次地循环。这每天可以积累大量水。"
这项研究得到了MIT阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水与食品系统实验室和MIT-以色列祖克曼STEM基金的部分支持。
对水资源短缺地区的意义
空气取水技术对传统水源甚至海水都稀缺的社区最为有益。博里斯金娜的团队希望，如果这些系统能可靠工作，将为干旱地区和水资源匮乏地区提供重要的饮用水来源。
"人们一直在寻找从大气中获取水的方法，这可能是沙漠地区和甚至没有海水可淡化的地区的重要水源，"博里斯金娜说，"现在我们有了一种快速高效地回收水的方法。"
未来发展方向
这项技术为解决全球水资源短缺问题提供了新思路。未来研究可能包括：
- 优化超声频率，进一步提高水回收效率
- 开发更高效的吸附材料与超声系统的集成方案
- 扩大系统规模，满足社区级用水需求
- 降低成本，使技术更易于在资源有限地区部署
结语
MIT工程师开发的超声取水系统代表了水资源获取技术的重要突破。通过将水回收时间从数小时缩短至几分钟，这一创新不仅提高了效率，还使空气取水技术更加实用和可持续。随着技术的进一步发展和完善，它有望为全球水资源短缺地区提供可靠的清洁水源，为应对气候变化和水资源危机贡献重要力量。
