麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)建造了一種裝置，可以從太陽(yáng)中吸收足夠的熱量來(lái)煮沸水并產(chǎn)生超過(guò)100攝氏度的“過(guò)熱”蒸汽，而不需要任何昂貴的光學(xué)元件。

在陽(yáng)光明媚的日子里，該結(jié)構(gòu)可以被動(dòng)地抽出足夠熱的蒸汽來(lái)對(duì)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行消毒，以及用于烹飪和清潔。蒸汽也可以向工業(yè)過(guò)程供熱，或者可以收集和冷凝以產(chǎn)生脫鹽的蒸餾飲用水。

研究人員之前開(kāi)發(fā)了一種海綿狀結(jié)構(gòu)，漂浮在一個(gè)容器中，并將吸收的水轉(zhuǎn)化為蒸汽。但是一個(gè)大問(wèn)題是水中的污染物會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的推移而降解。新設(shè)備設(shè)計(jì)為懸浮在水面上，以避免任何可能的污染。

懸掛裝置的尺寸和厚度大約相當(dāng)于一個(gè)小型數(shù)字平板電腦或電子閱讀器，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于三明治：頂層由有效吸收太陽(yáng)熱量的材料制成，而底層則有效地將熱量散發(fā)到下面的水。一旦水達(dá)到沸點(diǎn)(100℃)，它就會(huì)釋放出升回裝置的蒸汽，在那里它通過(guò)中間層漏斗 - 一種類(lèi)似泡沫的材料，可以進(jìn)一步加熱沸點(diǎn)以上的蒸汽。通過(guò)單管抽出。

“這是一個(gè)完全被動(dòng)的系統(tǒng) - 你只需把它留在外面吸收陽(yáng)光，”約克大學(xué)機(jī)械工程助理教授托馬斯庫(kù)珀說(shuō)，他在麻省理工學(xué)院擔(dān)任博士后工作。“你可以把它擴(kuò)展到可以用于遠(yuǎn)程氣候的東西，為一個(gè)家庭生成足夠的飲用水，或者為一個(gè)手術(shù)室消毒設(shè)備。”

團(tuán)隊(duì)的結(jié)果詳見(jiàn)一篇論文，將在Nature Communications上發(fā)表。該研究包括麻省理工學(xué)院動(dòng)力工程學(xué)院Carl Richard Soderberg教授Gang Chen實(shí)驗(yàn)室的研究人員。

巧妙的組合

2014年，陳的小組報(bào)告了一個(gè)簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)蒸汽發(fā)生器的首次演示，其形式為石墨覆蓋的碳泡沫，漂浮在水面上。這種結(jié)構(gòu)吸收并定位太陽(yáng)的熱量到水面(否則熱量將穿透水面)。從那時(shí)起，他的團(tuán)隊(duì)和其他人一直希望用不同的吸收太陽(yáng)能的材料來(lái)提高設(shè)計(jì)效率。但是幾乎所有的設(shè)備都被設(shè)計(jì)成直接漂浮在水上，并且它們都遇到污染問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兊谋砻媾c鹽和水中的其他雜質(zhì)接觸。

該團(tuán)隊(duì)決定設(shè)計(jì)一種懸浮在水面上的設(shè)備。該裝置被構(gòu)造成吸收短波長(zhǎng)太陽(yáng)能，該太陽(yáng)能又加熱裝置，使其以更長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外輻射的形式將這種熱量再輻射到下面的水中。有趣的是，研究人員指出，紅外波長(zhǎng)更容易被水吸收，而太陽(yáng)波長(zhǎng)則更容易通過(guò)。

對(duì)于器件的頂層，他們選擇了一種高效的太陽(yáng)能吸收器金屬陶瓷復(fù)合材料。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)的底層涂上了一種能夠輕松有效地散發(fā)熱量的材料。在這兩種材料之間，它們夾著一層網(wǎng)狀碳泡沫 - 基本上是一種海綿狀材料，上面布滿(mǎn)了蜿蜒的隧道和毛孔，保留了太陽(yáng)的熱量，可以進(jìn)一步加熱通過(guò)泡沫回升的蒸汽。研究人員還在泡沫的一端安裝了一個(gè)小出口管，所有蒸汽都可以通過(guò)這個(gè)出口管輕松收集。

最后，他們將設(shè)備放在一盆水上，用聚合物外殼包圍整個(gè)裝置，以防止熱量逸出。

“這是對(duì)不同材料的巧妙設(shè)計(jì)，以及它們?nèi)绾伟才牛刮覀兡軌蛲ㄟ^(guò)這種非接觸式安排實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的效率，”Cooper說(shuō)。

全力以赴

研究人員首先通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試結(jié)構(gòu)，使用太陽(yáng)模擬器模擬自然陽(yáng)光在不同的受控強(qiáng)度下的特征。他們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒁恍∨杷訜嶂练悬c(diǎn)并在122℃下產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，模擬在晴朗的晴天產(chǎn)生的陽(yáng)光。當(dāng)研究人員將這種太陽(yáng)能強(qiáng)度增加1.7倍時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)該裝置在144攝氏度時(shí)產(chǎn)生更熱的蒸汽。

2017年10月21日，他們?cè)诃h(huán)境條件下在麻省理工學(xué)院1號(hào)樓的屋頂上測(cè)試了該設(shè)備。這一天清晰明亮，為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)的強(qiáng)度，研究人員構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能聚光器 - 一個(gè)曲面鏡，有助于收集和重定向更多的陽(yáng)光到設(shè)備上，從而提高入射的太陽(yáng)光通量，類(lèi)似于放大鏡可以用來(lái)集中太陽(yáng)光束來(lái)加熱一塊路面。

通過(guò)這種增加的屏蔽，該結(jié)構(gòu)在3.5小時(shí)的過(guò)程中產(chǎn)生超過(guò)146℃的蒸汽。在隨后的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)能夠從海水中產(chǎn)生蒸汽，而不會(huì)用鹽晶體污染設(shè)備表面。在另一組實(shí)驗(yàn)中，他們還能夠在燒瓶中收集和冷凝蒸汽以產(chǎn)生純凈的蒸餾水。

Chen表示，除了克服污染的挑戰(zhàn)外，該設(shè)備的設(shè)計(jì)還可以在一個(gè)點(diǎn)集中流動(dòng)收集蒸汽，而之前的設(shè)計(jì)產(chǎn)生更多的稀釋噴霧。

“這種設(shè)計(jì)真正解決了污垢問(wèn)題和蒸汽收集問(wèn)題，”陳說(shuō)。“現(xiàn)在我們希望提高效率并改善系統(tǒng)。有不同的機(jī)會(huì)，我們正在尋找最佳選擇。”