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能源效率超過 100%?3D 太陽光熱蒸發器淨水器設計大躍進

linjunJR_96
・2021/05/14 ・2306字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

台灣目前面臨數十年來最嚴重的乾旱危機,不過缺水的可不只有我們。此時此刻,全球共有十四億人口無法享有穩定的乾淨水源,也就是說每五個人之中就有一個人不時需要為用水所苦。這個比例在未來預計仍會持續增加。

雖說地球表面上有 70% 被水覆蓋,不過其中只有不到 3% 是淡水,其餘都需要經過一番功夫來取得或淨化,才能被進一步利用。再加上氣候變遷,人口成長等因素,使得原本珍貴的水資源更加稀少。在聯合國 2015 年公布的永續發展目標中,第六項便是「確保所有人都能享有水及衛生及其永續管理」。

因此,淨水技術的發展與優化,便成為重要的課題。部分地區的人民無法享受公共自來水的服務,也沒有錢或能源進行逆滲透等傳統淨水方法;他們需要的是輕便便宜的淨水裝置。

「光熱材料」面對熱能散失的瓶頸

其中一個解法是日光蒸發:利用陽光將水蒸發淨化。不過稍微想一下:即便是在最刺眼的陽光下,要將一小盆水蒸乾可能還是得花上一整天。因此只靠太陽輻射的「熱能」是不夠的,需要額外將太陽的「光能」轉為熱。執行這個任務的物質被稱為「光熱材料」

水在沸點才會「沸騰」,但在任何溫度都能「蒸發」。而且水在蒸發時會帶走非常多的熱能,讓 1g 水蒸發所需的熱能比水從 0°C 加熱至 100°C 還要更多。圖/wikimedia

如果將一片透氣的光熱材料放在水上,的確可以增加水接觸熱源的表面積,並蒐集到更多水氣,加快淨水效能。然而在這個過程中,許多熱能都散失到周遭空氣以及下方水體中。水的比熱又特別大,這麼做等於是將辛苦收集來的太陽能全部丟進水溝。因此,以往的光熱蒸餾法往往無法提供足夠的蒸發量,也不能解決實際的用水需求。

真心不騙,新蒸發器能源效率 100%!

由於傳統光熱蒸發器的效率低落,南澳州大學未來產業學院的徐浩蘭(Haolan Xu)教授開發出了新一代的 3D 光熱蒸發器。這款發明標榜:「能源效率 100%」。這可不是什麼內容農場的標題。特殊的 3D 設計讓它不只能完整運用所有太陽能,還能從外界環境偷取更多能量!

這種蒸發器長得並不起眼,像一大塊黑色的菜瓜布。這是因為黑色的光熱材料被製成了噴霧,噴在彈簧支撐的棉布纖維上。蒸發器的頂端負責吸收太陽能,轉換成熱能;同時,水分被吸收到纖維中,並在加熱之下從蒸發器的表面蒸發。

3D 太陽能蒸發器示意圖。圖/參考文獻 2

以上原理跟以往的光熱蒸發器沒什麼不同,這次發明的真正突破其實是直立於水上的立體結構,在新型設計中,立體結構擁有較大的側面面積,這些表面相對不會接收到那麼多陽光,卻能夠持續蒸發,排出熱能和水氣。由於水蒸發的過程會帶走相當可觀的熱量(所以雨後的空氣總是格外涼爽),這讓蒸發器不會一直升溫,而是會在「太陽加熱」和「蒸發散熱」兩者之間取得平衡。

也就是說,藉由增加水蒸發表面積,來增加水蒸發量,以提升水蒸發所需要的熱。由於水蒸發所需要的熱變多,但蒸發器從太陽吸收的熱並沒有變多,因此蒸發所需的熱只能從原本造成蒸發器溫度上升的熱來獲取

而當蒸發所需要的熱,與蒸發器從太陽吸收的熱相等時,這時蒸發器的溫度就不會改變,而所有從太陽吸收的熱,就會全部用於水蒸發上,這就是前面提到 100% 能源效率。

蒸發器的立體結構設計增加了冷蒸發表面的面積,使得材料表面溫度低於環境水溫氣溫,得以逆轉先前蒸發器的熱能散失至環境中的問題,讓熱能得以從環境反向流向蒸發器系統。圖/參考文獻 3

當蒸發吸收的熱,大於陽光提供蒸發器時,這時蒸發器的溫度反而會因水蒸發而下降,熱甚至會從較高溫的水體與周遭空氣流進蒸發器!研究結果顯示,如果加上從周遭環境流入的熱能,這種蒸發器的能源效率直接破表,高達 178%。也就是說,除了原本的太陽光熱 100% 用於蒸發所需要的熱,環境的溫度差還會再額外提供 78% 的熱用於表面蒸發。

簡單設計為水資源危機帶來希望

徐浩蘭教授驕傲的表示,主動從外界汲取能量的光熱蒸發器是世界首創。有了這種技術的加持,蒸發器的效能大幅進步,來到每天每平方公尺 10 ~ 20 公升。此外,這個設計的造價低廉,材料也相對容易取得,不需要專業知識背景就能操作與維護。內部的彈簧讓整個裝置可以被壓縮收納,攜帶與架設都十分方便。

新一代的 3D 光熱蒸發器其實沒有用到什麼新奇的科學原理。其中使用的光熱材料和將其拿來淨水的想法,在幾年前便都已存在。但是透過結合既有材料,並針對需求加以設計,此次創舉或許能真正為缺乏水資源的家庭與社區帶來希望。若你想成為拯救世界的發明家,除了實驗室中的科學技術,更重要的或許是人的需求。

除了用來蒸餾飲用水,類似的技術還有很多可能的應用方向,例如工業廢水處理等等。徐浩蘭教授和他的團隊接下也會持續往這個方向發展,期許未來能為人類的水資源危機帶來更多創意十足的解方。

參考資料

  1. Sunlight to solve the world’s clean water crisis
  2. Gao, T., Wu, X., Wang, Y., Owens, G., & Xu, H. (2021). A Hollow and Compressible 3D Photothermal Evaporator for Highly Efficient Solar Steam Generation without Energy Loss. Solar RRL, 2100053.
  3. Wang, Y., Wu, X., Yang, X., Owens, G., & Xu, H. (2020). Reversing heat conduction loss: Extracting energy from bulk water to enhance solar steam generation. Nano Energy78, 105269.

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linjunJR_96
27 篇文章 ・ 391 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。


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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


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胡中行_96
9 篇文章 ・ 7 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。