冷凝器单元（左）；正在滴水的冷凝器单元放大图（右）。
如何获取清洁的水资源？这是个全球性问题。即使在水资源充足的地区，由于基础设施或可靠能源的缺乏，净化水源也是极其困难的。
3月31日，美国纽约州立水牛城大学（UB）和威斯康辛大学麦迪逊分校的工程师们在《美国国家科学院院刊》上描述了一种新型的水蒸汽冷凝器。与其他只能在夜间工作的辐射蒸汽冷凝器不同，新的冷凝器可在阳光直射下工作，而且不需要任何能量输入，因此具有革命性意义。
“在过去的几年里，我们一直在研究太阳能驱动的水蒸发技术，现在，我们正在解决水循环的第二部分——凝结。”论文的通讯作者、UB的电气工程教授Qiaoqiang Gan博士说。
“如何获得可持续的水资源是一个全球性难题，如果不解决能源问题，就难以解决水的问题。”论文的另一位通讯作者、威斯康辛大学麦迪逊分校电子与计算机工程的副教授Zongfu Yu博士说。
辐射冷却的想法其实并不新鲜，自然界中的很多昆虫都在使用这种方式，比如生活在非洲沙漠的拟步甲。在环境温度凉爽的晴朗夜晚，拟步甲的外壳会在中红外范围（大气透明窗）内释放额外的热量，热量会自然地辐射到地球较冷的上层大气和太空中的寒冷空间中。这种热量散失将拟步甲的温度降低到露点（空气中的水蒸气在较冷的表面凝结成水滴的温度）以下，然后，拟步甲就可以利用特殊的沟槽、结构将水分运送到嘴里。
在过去的几十年里，研究人员基于同样的原理设计了露水收集器，但问题是，这些收集器只能在晚上工作，因为白天阳光产生的热量超过了材料所能释放的热量。
在这个新项目中，研究人员用一种叫做聚二甲基硅氧烷（PDMS）的薄膜材料打造了一种小型蒸汽冷凝器，这种材料能在大气透明窗中有效地释放热辐射。
科学家们将PDMS层覆盖在反射阳光的银背衬上，两者结合可将冷凝器冷却到露点以下，导致水蒸气凝结。随后，研究人员在盒状的冷凝室中测试了这个装置，同期的对照有商用的露水收集材料以及一个简单的黑体。
研究小组将加湿的空气泵入三个冷凝室中，并将它们放置在大楼顶部或停车场。结果表明，PDMS是唯一能在阳光直射下凝结水蒸气的物质。
“从根本上说，我们的辐射冷凝器能够与上层大气和外太空的巨大冷库进行‘热接触’，获得的冷却功率可以在白天凝结水蒸汽，而且也不需要外部的能源输入。”威斯康辛大学麦迪逊分校电子和计算机工程的副教授Mikhail Kats说。
PDMS是一种广泛使用、相对便宜的材料，而银背衬对于冷凝器其实是不必要的。“成本和材料的可获得性一直是这类应用的障碍，我们的冷凝系统更接近于现实应用。”Gan博士说。
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编译：花花
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《美国国家科学院院刊》
期刊编号：0027-8424
原文链接：https://techxplore.com/news/2021-04-vapor-condenser-cues-darkling-beetle.html
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