提到工業(yè)革命，就不得不提蒸汽機(jī)。
蒸汽機(jī)的改良促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)甚至社會(huì)的發(fā)展，解決了大機(jī)器生產(chǎn)中最關(guān)鍵的問(wèn)題，推動(dòng)了交通運(yùn)輸?shù)目涨斑M(jìn)步，人類也從此進(jìn)入“蒸汽時(shí)代”。直到20世紀(jì)初，蒸汽機(jī)仍然是世界上最重要的原動(dòng)機(jī)。
兩個(gè)多世紀(jì)之后，科學(xué)家們?cè)俅螐恼舭l(fā)中獲得啟發(fā)：來(lái)自美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家對(duì)天然水汽蒸發(fā)過(guò)程中可采集的能量進(jìn)行評(píng)估后，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的功率密度居然達(dá)到了風(fēng)電的3倍。這意味著如果能夠合理利用水汽蒸發(fā)所產(chǎn)生的能量，那么其將會(huì)為人類提供大量的清潔電力。
蒸發(fā)的啟迪
蒸發(fā)主要受制于水面所接受的太陽(yáng)輻射能量。對(duì)于地球來(lái)說(shuō)，其表面吸收的近一半太陽(yáng)能會(huì)驅(qū)動(dòng)水分蒸發(fā)，其能量規(guī)模相當(dāng)可觀。
根據(jù)美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Ozgur Sahin及其同事的計(jì)算，在美國(guó)，除五大湖之外，現(xiàn)有的湖泊和水庫(kù)每年水汽蒸發(fā)所產(chǎn)生的能量可產(chǎn)生28.5億兆瓦時(shí)的電量，這相當(dāng)于2015年美國(guó)總發(fā)電量的2/3。
“水本來(lái)就會(huì)蒸發(fā)，它無(wú)時(shí)無(wú)刻不在蒸發(fā)。如果你把某個(gè)表面弄濕了，它自己會(huì)干，這就是自然的力量。”Sahin表示，“我們做的只是找到一個(gè)方式把這種力量用于一些實(shí)際的工作。”
在2014年一項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，Sahin發(fā)現(xiàn)，在潮濕的環(huán)境中，普通土壤中的細(xì)菌孢子會(huì)吸水膨脹，而在干燥的空氣中則會(huì)釋放水汽然后縮小。這些孢子大小變化的原理可以用于改變物體的長(zhǎng)度。
得益于這一啟發(fā)，Sahin的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了幾個(gè)微縮模型。這些模型都是用干燥時(shí)會(huì)收縮的材料制成的，比如粘有孢子的膠帶。當(dāng)膠帶暴露在干燥空氣中時(shí)，孢子體積縮小，膠帶像彈簧一樣縮短；而在潮濕的空氣里，膠帶就會(huì)變長(zhǎng)。
“他們就像肌肉一樣工作，能夠產(chǎn)生很大的推拉力。”Sahin和同事將其稱為“潮解性驅(qū)動(dòng)的人工肌肉”。
之后，研究團(tuán)隊(duì)利用“人工肌肉”研制出了一個(gè)活塞狀的水汽蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)型引擎。他們將“人工肌肉”放在一個(gè)帶蓋的塑料箱里，然后將箱子放置在水面上。蒸發(fā)的水汽使得“人工肌肉”膨脹并將蓋子頂開(kāi)，箱子里的濕氣就會(huì)泄露出去；水汽一減少，“人工肌肉”就會(huì)縮小，蓋子又重新被蓋上。這個(gè)過(guò)程會(huì)一直循環(huán)往復(fù)。最終，研究人員利用收集到的蒸發(fā)能量點(diǎn)亮了一個(gè)發(fā)光二極管。
值得一提的是，這種類似的水汽蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)型引擎能夠全天候工作。雖然夜間的蒸發(fā)較少，但是白天被阻擋的那部分蒸發(fā)會(huì)以溫水的形態(tài)儲(chǔ)存下來(lái)。“夜晚就能夠利用這個(gè)能量，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。”Sahin解釋。
科學(xué)家們研制的第二個(gè)機(jī)器帶有一個(gè)塑料輪子，輪子被粘了孢子的膠帶覆蓋。輪子的一半被放置在干燥的空氣中，這一部分的膠帶會(huì)卷起；輪子的另一半被放在相對(duì)潮濕的空氣中，膠帶則會(huì)伸直。機(jī)器工作時(shí)輪子就開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動(dòng)力足以驅(qū)使一個(gè)玩具車前進(jìn)。
潛力巨大
水汽蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)型引擎和能量采集器方面的技術(shù)，還可以使蒸發(fā)造成的水流失減少近一半。因此，對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)水資源緊張和水短缺的地區(qū)，這類能源采集系統(tǒng)可能會(huì)受到歡迎。
雖然科學(xué)家們已經(jīng)展示了將蒸發(fā)能量轉(zhuǎn)化為功的能力，但是人們對(duì)這種資源尚有疑惑，主要是對(duì)其可用性、可靠性和未來(lái)潛力等知之甚少。
“問(wèn)題在于是否有實(shí)際的方法來(lái)捕獲能量。”美國(guó)斯坦福大學(xué)卡內(nèi)基科學(xué)研究所的Ken Caldeira坦言。他對(duì)于這一裝置能否有效地將水汽蒸發(fā)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能表示懷疑。
此外，研發(fā)能夠大批量生產(chǎn)的蒸發(fā)發(fā)電機(jī)也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。事實(shí)上，目前很少有團(tuán)隊(duì)探索這一領(lǐng)域。
而隨著水上太陽(yáng)能發(fā)電廠的日益普及，這項(xiàng)新技術(shù)可能還面臨著與太陽(yáng)能板競(jìng)爭(zhēng)的殘酷現(xiàn)實(shí)。但正如Sahin所說(shuō)的，蒸發(fā)發(fā)電機(jī)可以用便宜的生物材料做成，成本十分低廉，并且可以通過(guò)湖面或者海面持續(xù)蒸發(fā)的水汽來(lái)獲得動(dòng)力，因此就這一點(diǎn)而言比太陽(yáng)能板更具有優(yōu)勢(shì)。
如果這項(xiàng)技術(shù)真的能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，那么它可能會(huì)因?yàn)闇p少蒸發(fā)而影響當(dāng)?shù)貧夂颉５珦?jù)研究團(tuán)隊(duì)推斷，其至少要覆蓋25萬(wàn)平方公里的面積才能產(chǎn)生效果。而就如此大的尺度來(lái)說(shuō)，其實(shí)所有形式的能源發(fā)電，包括風(fēng)能和核能都能夠影響天氣和氣候。但在一些極端降雨越來(lái)越嚴(yán)重的地區(qū)，減少水汽的蒸發(fā)或許能夠帶來(lái)一些有益的效果。
即便這項(xiàng)技術(shù)仍有待完善，但不可否認(rèn)的是，這項(xiàng)發(fā)明為我們提供了一個(gè)利用能源的新思路。研究團(tuán)隊(duì)相信，他們的發(fā)現(xiàn)可以推動(dòng)水蒸發(fā)能量轉(zhuǎn)化材料與裝置的改進(jìn)，未來(lái)或?qū)榭稍偕茉疵媾R的間歇性問(wèn)題提供一種良好的解決方案�！�