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、空氣驅動的飲用水系統更加實用。

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。大多數系統依賴陽光加熱材料，直到被困的水分蒸發并凝結成液態，這一過程可能持續數小時甚至數天。

麻省理工學院的工程師現在發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，裝置會發出調諧的超聲波，以松動吸附劑中的水分子。根據團隊的測試，該裝置只需幾分鐘即可提取水分，而熱量方法則需要數十分鐘或數小時。

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，同時作為傳感器，在吸附劑達到滿負荷時發出信號。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，系統可以實現超聲波水系統的供電與自動化。

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，尤其是沙漠地區和那些甚至沒有海水淡化的地方，現在我們有了快速高效回收水的方法。

這項研究剛剛發表在《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新方式與環境互動的材料。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。

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系統會在夜間收集水分，白天則依靠陽光自然蒸發被困的水分，使其冷凝以收集。

挑戰提取水分的困難

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，正如團隊發現的，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，電壓施加時會振動。這個環被一個外環包圍，外環鑲嵌著細小的噴嘴。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可能由快速吸收材料和一個超聲波執行器組成，每個裝置大小約為一扇窗戶。一旦材料飽和，執行器會短暫啟動，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。