美國(guó)加州的死亡谷（Death Valley）年降雨量不足 50 毫米，部分年份甚至無(wú)降雨。1849 年，一隊(duì)淘金者試圖穿越山谷，因惡劣氣候?qū)е掠腥藛噬?，幸存者離開(kāi)時(shí)感嘆“再見(jiàn)，死亡谷”，該山谷的名字便是由此而來(lái)。但正是這樣一個(gè)干旱缺水之地，美國(guó)麻省理工學(xué)院趙選賀教授和團(tuán)隊(duì)打造出一款被動(dòng)式大氣水收集器（AWHW，Atmospheric Water Harvesting Window），它能在極端氣候之下工作，并在死亡谷的實(shí)地測(cè)試中展現(xiàn)出卓越的日產(chǎn)水量，當(dāng)相對(duì)濕度在 21% 至 88% 范圍內(nèi)時(shí)，日產(chǎn)水量可達(dá) 57.0 毫升至 161.5 毫升，高于所有以往被動(dòng)式大氣集水系統(tǒng)（SAWH，Sorption - based Atmospheric Water Harvesting）以及一些主動(dòng)式系統(tǒng)。

（來(lái)源：https://newatlas.com/technology/mit-water-harvester）

并且，AWHW 無(wú)需電源或過(guò)濾器，使用壽命至少為 1 年，所收集的水符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，能生成鋰離子濃度低于 0.06ppm 的安全用水，符合美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和美國(guó)環(huán)保局制定的指導(dǎo)方針。

（來(lái)源：https://newatlas.com/technology/mit-water-harvester）

AWHW 還是一種完全被動(dòng)、實(shí)用且可規(guī)?；南到y(tǒng)。經(jīng)更多測(cè)試之后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)它可以從低至 18% 到高于 90% 的較為廣泛的相對(duì)濕度范圍內(nèi)發(fā)揮作用，有望解決北非等地區(qū)的物理水資源短缺問(wèn)題和印度北部等地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水資源短缺問(wèn)題。

這項(xiàng)技術(shù)不僅首次展示了被動(dòng)式米級(jí)吸附式大氣集水系統(tǒng)，還在日供水量和各種天氣條件下的適應(yīng)性方面樹(shù)立了新的標(biāo)準(zhǔn)。

22 億人的水資源短缺問(wèn)題亟待得到解決

當(dāng)前，全球超過(guò) 22 億人面臨水資源短缺問(wèn)題，這一情況在欠發(fā)達(dá)地區(qū)、內(nèi)陸地區(qū)或沒(méi)有電網(wǎng)的地區(qū)尤為突出。

基于被動(dòng)吸附劑的大氣集水器，為把無(wú)處不在的大氣水分轉(zhuǎn)化為液態(tài)水提供了一種有前景的解決方案。然而，目前的方法受到低產(chǎn)水量（每天幾毫升）、不安全鋰離子釋放和低相對(duì)濕度條件下效率低的限制。

為此，研究團(tuán)隊(duì)打造了這種名為 AWHW 的大氣水收集器，這是一種安全可控的基于吸附的大氣集水系統(tǒng)，并采用垂直折紙狀水凝膠面板和窗式太陽(yáng)能蒸餾器。

其設(shè)計(jì)涵蓋了三個(gè)關(guān)鍵層級(jí)。在材料上，其采用超穩(wěn)定吸濕性水凝膠；在結(jié)構(gòu)上，通過(guò)垂直折紙陣列結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了水分吸附/脫附動(dòng)力學(xué)性能；在裝置上，窗體式冷凝器表面覆有透明輻射制冷薄膜。

圖 | AWHW 的外觀（來(lái)源：Nature Water）

也就是說(shuō)，AWHW 包括一個(gè)垂直定向的吸附板，以及一個(gè)用作太陽(yáng)能蒸餾器的玻璃窗。它按照晝夜工作周期運(yùn)行，在夜間吸水、在白天解吸并收集水，并且無(wú)需任何電力輸入。

吸附板由一種超穩(wěn)定的吸濕性水凝膠構(gòu)成，在組成上該水凝膠包含聚乙烯醇（PVA，poly（vinyl alcohol）基質(zhì)、作為吸濕劑的氯化鋰（LiCl）、作為相穩(wěn)定劑的甘油以及作為光吸收劑的黑色墨水。

（來(lái)源：Nature Water）

這種獨(dú)特的垂直吸附板可從其兩側(cè)進(jìn)行水分吸附與解吸，與水凝膠膜或粉末的傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)相比，這種方案更有可能讓水分吸收和蒸發(fā)速率翻倍。

此外，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)圓頂形折紙陣列，以便通過(guò)增加有效表面積，進(jìn)而增強(qiáng)吸水/解吸的動(dòng)力學(xué)性能。

根據(jù)克勞修斯-克拉佩龍方程，窗式腔體內(nèi)的封閉空間更易發(fā)生冷凝現(xiàn)象。因此，研究團(tuán)隊(duì)將垂直吸附板集成到窗式太陽(yáng)能蒸餾器中，以便提供一個(gè)優(yōu)化水蒸發(fā)和冷凝的內(nèi)部環(huán)境。與此同時(shí)，與金字塔形或三角形腔體相比，90° 的傾斜角度可使水滴收集過(guò)程更加順暢。

鑒于 AWHW 直接暴露在天空下，研究團(tuán)隊(duì)在窗玻璃上涂上一層由極化聚偏氟乙烯-六氟丙烯（p-PVDF-HFP）制成的透明被動(dòng)輻射冷卻材料。這種涂層保持著較高的太陽(yáng)透明度，使吸附板能夠有效利用太陽(yáng)能進(jìn)行光熱水蒸發(fā)，同時(shí)允許通過(guò) 8 微米-13 微米波長(zhǎng)的熱輻射將熱量持續(xù)散發(fā)到四周。

與使用裸玻璃作為冷凝表面相比，研究團(tuán)隊(duì)觀察到溫度降低了約 0.5℃–1°C，這有助于在其附近形成更低的蒸氣壓，從而促進(jìn)水的再冷凝。

此外，AWHW 包含一個(gè)鋁制底座，它充當(dāng)了一個(gè)高效散熱體，能顯著促進(jìn)水蒸氣再冷凝過(guò)程，尤其是在白天太陽(yáng)輻射下。

先后在美國(guó)加州死亡谷和美國(guó)麻省開(kāi)展實(shí)地集水測(cè)試

基于超穩(wěn)定 PVA-LiCl-甘油水凝膠板優(yōu)異的吸水性和光熱蒸發(fā)性能，研究團(tuán)隊(duì)又開(kāi)發(fā)了一種米級(jí) AWHW，其尺寸為 0.56 米（長(zhǎng)）×0.4 米（高）×0.12 米（寬），配備一塊 0.47 米（長(zhǎng)）×0.34 米（高）×1 毫米（厚）的吸附板。然后，他們將該系統(tǒng)于 2023 年 11 月初在美國(guó)加州死亡谷進(jìn)行測(cè)試。

通過(guò)動(dòng)態(tài)蒸氣吸附（DVS，dynamic vapour sorption）分析得出的 20% 相對(duì)濕度下的吸水等溫線以及原位測(cè)量，均證實(shí)了研究團(tuán)隊(duì)的水凝膠在極端干旱條件下具有卓越的吸水能力。

如下圖所示，設(shè)備按晝夜循環(huán)運(yùn)行，夜間吸水，白天解吸水分。值得注意的是，2023 年 11 月 2 日晚在死亡谷，吸附板收獲了 106.0 克水，較其干重增加了 81.8%。

（來(lái)源：Nature Water）

相對(duì)濕度和溫度曲線如下圖所示，其中相對(duì)濕度范圍為 18% 至 24%，這表明濕度非常低。從上午 7:30 到下午約 5:00，量筒中收集到 57.0 毫升水，熱效率為 9.3%。太陽(yáng)通量峰值為 471.5 瓦/平方米，環(huán)境溫度最高達(dá) 32.0℃。

（來(lái)源：Nature Water）

利用窗玻璃上的輻射冷卻涂層和鋁制底座的強(qiáng)大散熱能力，AWHW 腔體將內(nèi)部溫度維持在 41.6°C 以下。盡管 PVA-LiCl-甘油水凝膠在陽(yáng)光下的溫度峰值達(dá)到 78.6°C，但這仍能確保水蒸氣在窗表面持續(xù)冷凝。據(jù)他們所知，這是吸濕水凝膠在如此低的相對(duì)濕度下產(chǎn)水的首次實(shí)際驗(yàn)證。

而在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，氣象條件會(huì)呈現(xiàn)季節(jié)性變化特征。例如，在摩洛哥南部的瓦爾扎扎特，相對(duì)濕度跨越很大，比如當(dāng)?shù)卦?2021 年 12 月的濕度為 97.0%，在 2022 年 7 月的濕度為 7.3%。這種變化凸顯了太陽(yáng)能大氣集水技術(shù)需要適應(yīng)不同氣候的必要性。

為此，研究團(tuán)隊(duì)在環(huán)境模擬艙中設(shè)置了 88% 的相對(duì)濕度條件進(jìn)行夜間水分吸附實(shí)驗(yàn)，并于 2023 年 11 月 6 日在死亡谷開(kāi)展了日間光熱蒸發(fā)測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸附板捕獲了 211.2 克水，重量增加了 163.0%，白天收集到 161.5 毫升水，熱效率為 26.4%。

（來(lái)源：Nature Water）

這一結(jié)果表明，在相對(duì)濕度較高的情況下，AWHW 的水產(chǎn)量較高，超過(guò)了所有其他被動(dòng)式太陽(yáng)能大氣集水裝置。因此，AWHW 可以在 18%-90% 的寬泛相對(duì)濕度范圍內(nèi)高效集水，從而實(shí)現(xiàn)全年適用性。

這也說(shuō)明 AWHW 在長(zhǎng)期低濕度的物理性缺水地區(qū)具有應(yīng)用潛力，同時(shí)也能緩解印度北部等高濕度地區(qū)的經(jīng)濟(jì)性缺水問(wèn)題，從而將其適用性擴(kuò)展到干旱地區(qū)之外。

除了在死亡谷進(jìn)行實(shí)地測(cè)試之外，研究團(tuán)隊(duì)還于 2023 年 7 月在美國(guó)麻省劍橋市的一個(gè)城市環(huán)境中測(cè)試了 AWHW，那里的相對(duì)濕度更高。

期間，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)尺寸為 28.0 厘米（長(zhǎng)）×6.4 厘米（寬）×31.5 厘米（高）的 AWHW 裝置，其吸附面板厚度經(jīng)吸附/脫附動(dòng)力學(xué)和水分捕獲能力優(yōu)化后確定為 1.8 毫米。

值得注意的是，盡管采用了無(wú)孔材料設(shè)計(jì)，但吸附動(dòng)力學(xué)依然足夠快，使吸附面板在 10 小時(shí)的吸水期內(nèi)接近穩(wěn)定狀態(tài)?；?AWHW 的晝夜工作循環(huán)機(jī)制，它在 2023 年 7 月 28 日產(chǎn)出 56.5 毫升水，實(shí)現(xiàn)了 1.26 升/平方米/天的極高面積產(chǎn)水率，這一性能超越了此前最先進(jìn)的被動(dòng)式大氣水收集器。

與此同時(shí)，單位面積產(chǎn)水速率會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件而變化，包括夜間相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速。數(shù)據(jù)顯示，AWHW 表現(xiàn)出卓越的氣候適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，使其能夠輕松實(shí)現(xiàn)定制以便滿足特定的當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件。

總之，AWHW 代表了一種開(kāi)創(chuàng)性的、安全、可擴(kuò)展的大氣集水解決方案，為日常水生產(chǎn)和氣候適應(yīng)性設(shè)定了基準(zhǔn)，在為水資源最緊張的地區(qū)提供實(shí)用、可擴(kuò)展、安全和可持續(xù)的分散式供水解決方案上取得了進(jìn)步。當(dāng)然，這些水量遠(yuǎn)不足以完全滿足人們的飲水需求，因此研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為在缺水地區(qū)部署一系列垂直排列的水凝膠面板，或許能產(chǎn)出更大量的水，從而足以支撐一整個(gè)家庭的用水需求。

參考資料：

Liu, C., Yan, XY., Li, S.et al. A metre-scale vertical origami hydrogel panel for atmospheric water harvesting in Death Valley.Nat Water(2025). https://doi.org/10.1038/s44221-025-00447-2