“空中取水”和“水中取氣”

黃德揆

水和空氣，乃生命之源，是地球上動植物賴以生存的物質基礎。乍看起來，地球上的水與它周圍的大氣，各守各的疆界，井水不犯河水。其實并非如此，水和空氣之間通過降雨和蒸發等形式進行物質交換。所以，水中有空氣，空氣中存在水。

“空中取水”的方法：擠壓空氣

眾所周知，地球上水的總儲量約13億立方千米，地球表面的71%被水覆蓋,地球享有水球之譽。可是，供人類利用的淡水，僅占其中的2.5%。而這些淡水的70%，又被南、北極的冰山所困。剩下的、占總數僅0.3%的淡水，流進了人類生活。可見，為人類利用的淡水資源太少。當前，世界上有12億人喝不上干凈的飲用水，有24億人得不到足夠的飲用水，每年有340萬人死于與水有關的疾病，而且水荒還在加劇。有關專家認為21世紀，人類首先面臨的問題將是水危機。

解決水危機是全人類共同面對的大課題，需要全人類的共同努力。德國工程師胡貝特·哈姆，受制冷機工作時產生的“冷凝水”所啟示，提出挖掘現有技術潛力，對空氣進行“擠壓”，把濕潤空氣中所含的水分“擠”出來，再對水進行凈化處理，使之符合飲用水的標準，來解決全球飲用水匱乏這個大課題。因為地球周圍的大氣中包含著豐富的水，它們受壓縮機擠壓時，其中的水蒸氣將凝結成水。

胡貝特·哈姆的設想，能否緩解人類所需的飲用水問題呢？

在大自然中，水與大氣之間的物質交換從未停止，每年從海洋和河流蒸發到大氣中的水，大約有50萬立方千米，這其中的大部分又以降水的形式返回海洋。但是，大氣層中仍保存有大量水分。誠如專家們指出，地球大氣中所含的水分，比地球上江河湖泊里水的總儲量還多10倍。即便在沙漠地區，空氣相對濕度很小，其中仍不乏水蒸氣。沙漠蜘蛛等昆蟲，不就是直接從干燥的空氣中獲取小水滴的嗎？ 再說地球上缺乏飲用水的國家，大多分布在平均氣溫高于20攝氏度的氣候帶，那里的空氣濕度一般為75%。這意味著那些地方每千克空氣里含16克水。如果壓縮空氣將溫度降低10攝氏度，1千克空氣中可回收8克水。這意味著擠壓空氣取水，有廣泛的物質基礎，這也是科學界看好胡貝特·哈姆設想的原因。

長期與制冷設備打交道的胡貝特·哈姆，知道合理利用壓縮機生產飲用水的可能性。因為這種方法為炎熱地區居民送去清涼時，還產生冷凝水，何必讓這些水白白浪費呢？再說擠壓空氣獲得淡水法，比淡化海水節省能量和開支。由于“制水設備”的耗電量顯然很大，所以他打算盡可能多的利用風能和太陽能，以便讓更多干凈廉價的能源加盟，共同解決能源不足的問題。

水中取氣靠降壓

和“擠壓空氣”解決水危機的方法相比，人類利用水中溶解空氣的研究要早得多。因為構成魚鰓的鰓片上，遍布微血管。魚鰓通過微血管作用，呼吸溶解在水中的空氣。所以水中的魚，時刻呼吸到新鮮氧氣，同時排除二氧化碳。再說自然界飄忽不定的風、大海上此起彼伏的波濤、海面下的洋流，都在幫助海水溶解并傳播少量的空氣。測量表明，海面下200米深處，仍然有15%的溶解空氣，魚可以自由自在地進行吐故納新。

在魚的啟發下，科學家率先用硅橡膠薄膜造出人工鰓，供老鼠在水中呼吸用。接著，又研制出供人在水中呼吸的人工鰓。不足的是，這些人工鰓有的效率不高，有的使用很不方便。所以，潛水員在水下作業時，總離不開笨重的氧氣瓶，還須靠隨身攜帶的氧氣瓶供應氧氣。這種傳統的呼吸方式，使潛水員的活動受限制，特別是長時間水下作業時，需要不斷上岸更換氧氣瓶。而氧氣瓶又不能多帶，否則會影響潛水員在水中的動作平衡，不利于水下作業。

為改善潛水員和潛艇工作環境，提高效率，以色列發明家阿隆·博德納則另辟蹊徑，創造出一個全新裝置，以幫助小型潛水艇和潛水員，像魚一樣自由呼吸溶解在水中的空氣，從而徹底擺脫笨重的氧氣瓶。

根據物理學定律，液體中的氣體溶解度，與它受到的壓強成正比。對水來說，當它的壓強增大時，溶解的氣體相對多些。壓強減小時，就會有更多的溶解空氣從水中逸出。于是，阿隆·博德納設計出一個由電池供電的小型密封裝置。該裝置中離心機在水中高速旋轉時，水體壓強減小，溶解在水里的空氣不斷排出。實驗中，一臺由鋰電池供電的小型離心裝置，每次獲得的溶解空氣，可供潛水員工作1小時。

現在，以色列海軍有關部門和一些生產潛水設備的廠家，對博德納的制氧裝置表現出濃厚興趣。他們相信這一新裝置投放市場后，有望使潛水事業出現新面貌和新變化。

綜上所述，我們不難看出無論是靠擠壓空氣獲取飲用水，還是靠降壓釋放水中空氣的方法，都充分體現了科學家慧眼獨具的創新精神。正像詩人所說：“天機云錦隨我用，剪裁妙趣非刀尺。”

【責任編輯】李金