solar power and hydrogel technology

隨全球科技發展與環保永續的意識抬頭,許多國家都開始著手打造自己的智慧城市。沙烏地阿拉伯去年就宣布要斥資鉅額發展的沙漠城的「新未來」(NEOM)打造一個「零汽車、零馬路和零碳排」的生態城市。

而 AI 將在這座城市扮演關鍵角色,以 100% 潔淨能源供給電力,為民眾提供無汙染、更能永續發展的環境。

收集潔淨水資源的創新系統

世界上有部分人口無法享用乾淨的水資源或綠色能源,其中很多人生活在農村和乾旱、半乾旱氣候地區,沙烏地阿拉伯就是其中的一個例子。

不僅夏季氣候極度乾燥又極度炎熱,但是就在去年六月,距離吉達(Jeddah)這座港口城市北方約 50 英里處,有 57 顆種子被播種入土,並生長成將近 18 公分高的菠菜植株。灌溉這些蔬菜的水分捕捉自大氣,仰賴的則是阿布都拉國王科技大學(KAUST)科學團隊的研發成果,集潔淨能源、水資源、灌溉農耕於一身的創新系統。

這項研究成果也被刊登在《細胞報告物理科學》雜誌,適用於沙漠或海洋島嶼等偏遠地區的分散、小規模農場,期望能改善乾燥氣候地區居民的糧食和用水短缺問題。

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大自然幫集水,為小農打造沙漠甘泉

等等,我們不是在討論阿拉伯沙漠嗎?久旱少雨的地理環境哪來的水氣?儘管聽起來有些違反常理,但該地區的相對濕度其實都可以維持在 40% 上下,到了夜晚則會升高至 80%。

這項試驗性灌溉系統,就是根據大自然的溼度變化設計,不僅具備可持續性,且成本相對低。對常年乾旱地區、偏遠山區的家戶及鄰里社區而言,都有潛力能滿足小量農業灌溉,甚至過濾後也能作為飲用水資源的需求,提供種植糧食、用水安全的解決方案。

在國王科技大學擔任環境科學與工程,同時身兼資深作家的王鵬(Peng Wang)教授表示:「我們的創新之處在於善加運用原本會被浪費的潔淨能源,從空氣中提取珍貴的水分,特別是在適用於去中央化的小型農場上。」

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高效低成本淨水關鍵:水凝膠膜

這項試驗性系統名為「WEC2P」,總共包含三個主要元件:一個小型光伏太陽能板,下方依附著一層由水凝膠構成的複合型材料(它就像是一般繃帶裡,用來潤滑傷口的水凝膠高科技升級版)、氯化鈣(就是冬季用來為道路除冰所使用的鹽),以及一個用來當作冷凝室的金屬容器。

每天早上 WEC2P 系統內滿溢著水氣,等到太陽能板開始吸收太陽光與熱能,系統溫度便自然上升,使得水凝膠遇熱後以水蒸氣的形式釋出水分,可用以種植作物,或經過後處理再作為一般飲用水。

也就是說,這套系統是利用太陽能板發電過程中生成的廢熱,逼出水凝膠層所吸收的水分子。金屬盒的用途則是集結並貯存水氣,並將水蒸氣轉化、凝結為小水滴。

至於獨特的水凝膠層(hydrogel),它具有高光熱轉換效率的特性,能為運作中的太陽能板降溫約攝氏 10 度,有效降低熱損失、幫助提高約 9% 的發電效率,且凝膠層吸水後體積會脹大,鎖住小水滴、防止好不容易收集到的水分外溢。

WEC2P 所使用的水凝膠,是王教授與團隊研究的發明成果,它的外表看起來就像是一片果凍,緊緊附著在太陽能板背面,搭配氯化鈣強大的吸水功能,協助發電、灌溉系統能達成雙重功能,也就是以潔淨能源發電,收集大氣中的水分,再將之轉化為液態用水。

新型太陽能淨水技術的下一步?

經過為期兩週的實驗後,僅僅一張書桌大小的太陽能板,就成功製造出 1519 瓦特小時(Wh)的電力,且生成約兩公升的液態水,讓 57 顆菠菜種籽都獲得水滴滋養、順利發芽。

最棒的是,上述所使用的能源沒有一絲一毫是耗用到太陽能板的發電,也就是說,當未來這項工程技術擴大規模,所有的綠色電能資源都能直接回饋給電網;只有發電過程的剩餘熱能,才會被應用於農作灌溉

至於 WEC2P 系統邁向商業規模化的關鍵下一步?

王鵬教授說,他們計畫改造現有的水凝膠層,藉以提高系統從大氣捕捉水分子的效能。

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本文開放夥伴轉載,資料參考:Fast CompanyWater World,首圖來源:Pixabay