美国加州的死亡谷（Death Valley）年降雨量不足 50 毫米，部分年份甚至无降雨。1849 年，一队淘金者试图穿越山谷，因恶劣气候导致有人丧生，幸存者离开时感叹“再见，死亡谷”，该山谷的名字便是由此而来。但正是这样一个干旱缺水之地，美国麻省理工学院赵选贺教授和团队打造出一款被动式大气水收集器（AWHW，Atmospheric Water Harvesting Window），它能在极端气候之下工作，并在死亡谷的实地测试中展现出卓越的日产水量，当相对湿度在 21% 至 88% 范围内时，日产水量可达 57.0 毫升至 161.5 毫升，高于所有以往被动式大气集水系统（SAWH，Sorption - based Atmospheric Water Harvesting）以及一些主动式系统。 并且，AWHW 无需电源或过滤器，使用寿命至少为 1 年，所收集的水符合严格的安全标准，能生成锂离子浓度低于 0.06ppm 的安全用水，符合美国地质调查局和美国环保局制定的指导方针。 AWHW 还是一种完全被动、实用且可规模化的系统。经更多测试之后，研究团队发现它可以从低至 18% 到高于 90% 的较为广泛的相对湿度范围内发挥作用，有望解决北非等地区的物理水资源短缺问题和印度北部等地区的经济水资源短缺问题。 这项技术不仅首次展示了被动式米级吸附式大气集水系统，还在日供水量和各种天气条件下的适应性方面树立了新的标准。 基于被动吸附剂的大气集水器，为把无处不在的大气水分转化为液态水提供了一种有前景的解决方案。然而，目前的方法受到低产水量（每天几毫升）、不安全锂离子释放和低相对湿度条件下效率低的限制。 为此，研究团队打造了这种名为 AWHW 的大气水收集器，这是一种安全可控的基于吸附的大气集水系统，并采用垂直折纸状水凝胶面板和窗式太阳能蒸馏器。 其设计涵盖了三个关键层级。在材料上，其采用超稳定吸湿性水凝胶；在结构上，通过垂直折纸阵列结构增强了水分吸附/脱附动力学性能；在装置上，窗体式冷凝器表面覆有透明辐射制冷薄膜。 也就是说，AWHW 包括一个垂直定向的吸附板，以及一个用作太阳能蒸馏器的玻璃窗。它按照昼夜工作周期运行，在夜间吸水、在白天解吸并收集水，并且无需任何电力输入。 吸附板由一种超稳定的吸湿性水凝胶构成，在组成上该水凝胶包含聚乙烯醇（PVA，poly（vinyl alcohol）基质、作为吸湿剂的氯化锂（LiCl）、作为相稳定剂的甘油以及作为光吸收剂的黑色墨水。 这种独特的垂直吸附板可从其两侧进行水分吸附与解吸，与水凝胶膜或粉末的传统水平结构相比，这种方案更有可能让水分吸收和蒸发速率翻倍。 根据克劳修斯-克拉佩龙方程，窗式腔体内的封闭空间更易发生冷凝现象。因此，研究团队将垂直吸附板集成到窗式太阳能蒸馏器中，以便提供一个优化水蒸发和冷凝的内部环境。与此同时，与金字塔形或三角形腔体相比，90° 的倾斜角度可使水滴收集过程更加顺畅。 鉴于 AWHW 直接暴露在天空下，研究团队在窗玻璃上涂上一层由极化聚偏氟乙烯-六氟丙烯（p-PVDF-HFP）制成的透明被动辐射冷却材料。这种涂层保持着较高的太阳透明度，使吸附板能够有效利用太阳能进行光热水蒸发，同时允许通过 8 微米-13 微米波长的热辐射将热量持续散发到四周。 与使用裸玻璃作为冷凝表面相比，研究团队观察到温度降低了约 0.5℃–1°C，这有助于在其附近形成更低的蒸气压，从而促进水的再冷凝。 基于超稳定 PVA-LiCl-甘油水凝胶板优异的吸水性和光热蒸发性能，研究团队又开发了一种米级 AWHW，其尺寸为 0.56 米（长）×0.4 米（高）×0.12 米（宽），配备一块 0.47 米（长）×0.34 米（高）×1 毫米（厚）的吸附板。然后，他们将该系统于 2023 年 11 月初在美国加州死亡谷进行测试。 通过动态蒸气吸附（DVS，dynamic vapour sorption）分析得出的 20% 相对湿度下的吸水等温线以及原位测量，均证实了研究团队的水凝胶在极端干旱条件下具有卓越的吸水能力。 如下图所示，设备按昼夜循环运行，夜间吸水，白天解吸水分。值得注意的是，2023 年 11 月 2 日晚在死亡谷，吸附板收获了 106.0 克水，较其干重增加了 81.8%。 相对湿度和温度曲线如下图所示，其中相对湿度范围为 18% 至 24%，这表明湿度非常低。从上午 7:30 到下午约 5:00，量筒中收集到 57.0 毫升水，热效率为 9.3%。太阳通量峰值为 471.5 瓦/平方米，环境温度最高达 32.0℃。 利用窗玻璃上的辐射冷却涂层和铝制底座的强大散热能力，AWHW 腔体将内部温度维持在 41.6°C 以下。尽管 PVA-LiCl-甘油水凝胶在阳光下的温度峰值达到 78.6°C，但这仍能确保水蒸气在窗表面持续冷凝。据他们所知，这是吸湿水凝胶在如此低的相对湿度下产水的首次实际验证。 而在实际应用场景中，气象条件会呈现季节性变化特征。例如，在摩洛哥南部的瓦尔扎扎特，相对湿度跨越很大，比如当地在 2021 年 12 月的湿度为 97.0%，在 2022 年 7 月的湿度为 7.3%。这种变化凸显了太阳能大气集水技术需要适应不同气候的必要性。 为此，研究团队在环境模拟舱中设置了 88% 的相对湿度条件进行夜间水分吸附实验，并于 2023 年 11 月 6 日在死亡谷开展了日间光热蒸发测试。结果发现，吸附板捕获了 211.2 克水，重量增加了 163.0%，白天收集到 161.5 毫升水，热效率为 26.4%。 这一结果表明，在相对湿度较高的情况下，AWHW 的水产量较高，超过了所有其他被动式太阳能大气集水装置。因此，AWHW 可以在 18%-90% 的宽泛相对湿度范围内高效集水，从而实现全年适用性。 这也说明 AWHW 在长期低湿度的物理性缺水地区具有应用潜力，同时也能缓解印度北部等高湿度地区的经济性缺水问题，从而将其适用性扩展到干旱地区之外。 除了在死亡谷进行实地测试之外，研究团队还于 2023 年 7 月在美国麻省剑桥市的一个城市环境中测试了 AWHW，那里的相对湿度更高。 期间，研究团队构建了一个尺寸为 28.0 厘米（长）×6.4 厘米（宽）×31.5 厘米（高）的 AWHW 装置，其吸附面板厚度经吸附/脱附动力学和水分捕获能力优化后确定为 1.8 毫米。 值得注意的是，尽管采用了无孔材料设计，但吸附动力学依然足够快，使吸附面板在 10 小时的吸水期内接近稳定状态。基于 AWHW 的昼夜工作循环机制，它在 2023 年 7 月 28 日产出 56.5 毫升水，实现了 1.26 升/平方米/天的极高面积产水率，这一性能超越了此前最先进的被动式大气水收集器。 与此同时，单位面积产水速率会根据当地环境条件而变化，包括夜间相对湿度、太阳辐照度、环境温度和风速。数据显示，AWHW 表现出卓越的气候适应性和可扩展性，使其能够轻松实现定制以便满足特定的当地环境条件。 总之，AWHW 代表了一种开创性的、安全、可扩展的大气集水解决方案，为日常水生产和气候适应性设定了基准，在为水资源最紧张的地区提供实用、可扩展、安全和可持续的分散式供水解决方案上取得了进步。当然，这些水量远不足以完全满足人们的饮水需求，因此研究团队认为在缺水地区部署一系列垂直排列的水凝胶面板，或许能产出更大量的水，从而足以支撑一整个家庭的用水需求。
