提到工業(yè)革命，就不得不提蒸汽機。
蒸汽機的改良促進了機械工業(yè)甚至社會的發(fā)展，解決了大機器生產中最關鍵的問題，推動了交通運輸?shù)目涨斑M步，人類也從此進入“蒸汽時代”。直到20世紀初，蒸汽機仍然是世界上最重要的原動機。
兩個多世紀之后，科學家們再次從蒸發(fā)中獲得啟發(fā)：來自美國哥倫比亞大學的科學家對天然水汽蒸發(fā)過程中可采集的能量進行評估后，發(fā)現(xiàn)其產生的功率密度居然達到了風電的3倍。這意味著如果能夠合理利用水汽蒸發(fā)所產生的能量，那么其將會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輻射能量。對于地球來說，其表面吸收的近一半太陽能會驅動水分蒸發(fā)，其能量規(guī)模相當可觀。
根據(jù)美國哥倫比亞大學Ozgur Sahin及其同事的計算，在美國，除五大湖之外，現(xiàn)有的湖泊和水庫每年水汽蒸發(fā)所產生的能量可產生28.5億兆瓦時的電量，這相當于2015年美國總發(fā)電量的2/3。
“水本來就會蒸發(fā)，它無時無刻不在蒸發(fā)。如果你把某個表面弄濕了，它自己會干，這就是自然的力量。”Sahin表示，“我們做的只是找到一個方式把這種力量用于一些實際的工作。”
在2014年一項研究的基礎上，Sahin發(fā)現(xiàn)，在潮濕的環(huán)境中，普通土壤中的細菌孢子會吸水膨脹，而在干燥的空氣中則會釋放水汽然后縮小。這些孢子大小變化的原理可以用于改變物體的長度。
得益于這一啟發(fā)，Sahin的團隊創(chuàng)建了幾個微縮模型。這些模型都是用干燥時會收縮的材料制成的，比如粘有孢子的膠帶。當膠帶暴露在干燥空氣中時，孢子體積縮小，膠帶像彈簧一樣縮短；而在潮濕的空氣里，膠帶就會變長。
“他們就像肌肉一樣工作，能夠產生很大的推拉力。”Sahin和同事將其稱為“潮解性驅動的人工肌肉”。
之后，研究團隊利用“人工肌肉”研制出了一個活塞狀的水汽蒸發(fā)驅動型引擎。他們將“人工肌肉”放在一個帶蓋的塑料箱里，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，箱子里的濕氣就會泄露出去；水汽一減少，“人工肌肉”就會縮小，蓋子又重新被蓋上。這個過程會一直循環(huán)往復。最終，研究人員利用收集到的蒸發(fā)能量點亮了一個發(fā)光二極管。
值得一提的是，這種類似的水汽蒸發(fā)驅動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)會以溫水的形態(tài)儲存下來。“夜晚就能夠利用這個能量，這是一個巨大的優(yōu)勢。”Sahin解釋。
科學家們研制的第二個機器帶有一個塑料輪子，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，這一部分的膠帶會卷起；輪子的另一半被放在相對潮濕的空氣中，膠帶則會伸直。機器工作時輪子就開始旋轉，旋轉所產生的動力足以驅使一個玩具車前進。
潛力巨大
水汽蒸發(fā)驅動型引擎和能量采集器方面的技術，還可以使蒸發(fā)造成的水流失減少近一半。因此，對于經常出現(xiàn)水資源緊張和水短缺的地區(qū)，這類能源采集系統(tǒng)可能會受到歡迎。
雖然科學家們已經展示了將蒸發(fā)能量轉化為功的能力，但是人們對這種資源尚有疑惑，主要是對其可用性、可靠性和未來潛力等知之甚少。
“問題在于是否有實際的方法來捕獲能量。”美國斯坦福大學卡內基科學研究所的Ken Caldeira坦言。他對于這一裝置能否有效地將水汽蒸發(fā)產生的能量轉化為電能表示懷疑。
此外，研發(fā)能夠大批量生產的蒸發(fā)發(fā)電機也是一項艱巨的任務。事實上，目前很少有團隊探索這一領域。
而隨著水上太陽能發(fā)電廠的日益普及，這項新技術可能還面臨著與太陽能板競爭的殘酷現(xiàn)實。但正如Sahin所說的，蒸發(fā)發(fā)電機可以用便宜的生物材料做成，成本十分低廉，并且可以通過湖面或者海面持續(xù)蒸發(fā)的水汽來獲得動力，因此就這一點而言比太陽能板更具有優(yōu)勢。
如果這項技術真的能夠實現(xiàn)大規(guī)模應用，那么它可能會因為減少蒸發(fā)而影響當?shù)貧夂颉５珦?jù)研究團隊推斷，其至少要覆蓋25萬平方公里的面積才能產生效果。而就如此大的尺度來說，其實所有形式的能源發(fā)電，包括風能和核能都能夠影響天氣和氣候。但在一些極端降雨越來越嚴重的地區(qū)，減少水汽的蒸發(fā)或許能夠帶來一些有益的效果。
即便這項技術仍有待完善，但不可否認的是，這項發(fā)明為我們提供了一個利用能源的新思路。研究團隊相信，他們的發(fā)現(xiàn)可以推動水蒸發(fā)能量轉化材料與裝置的改進，未來或將為可再生能源面臨的間歇性問題提供一種良好的解決方案。■