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如何在“空气中取水”和“水中取空气”

水和空气,乃生命之源,是地球上动植物赖以生存的物质基础。乍看起来,地球上的水与它周围的大气,各守各的疆界,井水不犯河水。其实并非如此,水和空气之间通过降雨和蒸发等形式进行物质交换。所以,水中有空气,空气中存在水。

“空中取水”的方法:挤压空气

众所周知,地球上水的总储量约13亿立方千米,地球表面的71%被水覆盖,地球享有水球之誉。可是,供人类利用的淡水,仅占其中的2.5%。而这些淡水的70%,又被南、北极的冰山所困。剩下的、占总数仅0.3%的淡水,流进了人类生活。可见,为人类利用的淡水资源太少。当前,世界上有12亿人喝不上干净的饮用水,有24亿人得不到足够的饮用水,每年有340万人死于与水有关的疾病,而且水荒还在加剧。有关专家认为21世纪,人类首先面临的问题将是水危机。

解决水危机是全人类共同面对的大课题,需要全人类的共同努力。德国工程师胡贝特·哈姆,受制冷机工作时产生的“冷凝水”所启示,提出挖掘现有技术潜力,对空气进行“挤压”,把湿润空气中所含的水分“挤”出来,再对水进行净化处理,使之符合饮用水的标准,来解决全球饮用水匮乏这个大课题。因为地球周围的大气中包含着丰富的水,它们受压缩机挤压时,其中的水蒸气将凝结成水。

胡贝特·哈姆的设想,能否缓解人类所需的饮用水问题呢?

水与大气之间的物质交换在大自然中,水与大气之间的物质交换从未停止,每年从海洋和河流蒸发到大气中的水,大约有50万立方千米,这其中的大部分又以降水的形式返回海洋。但是,大气层中仍保存有大量水分。诚如专家们指出,地球大气中所含的水分,比地球上江河湖泊里水的总储量还多10倍。即便在沙漠地区,空气相对湿度很小,其中仍不乏水蒸气。沙漠蜘蛛等昆虫,不就是直接从干燥的空气中获取小水滴的吗? 再说地球上缺乏饮用水的国家,大多分布在平均气温高于20摄氏度的气候带,那里的空气湿度一般为75%。这意味着那些地方每千克空气里含16克水。如果压缩空气将温度降低10摄氏度,1千克空气中可回收8克水。这意味着挤压空气取水,有广泛的物质基础,这也是科学界看好胡贝特·哈姆设想的原因。

长期与制冷设备打交道的胡贝特·哈姆,知道合理利用压缩机生产饮用水的可能性。因为这种方法为炎热地区居民送去清凉时,还产生冷凝水,何必让这些水白白浪费呢?再说挤压空气获得淡水法,比淡化海水节省能量和开支。由于“制水设备”的耗电量显然很大,所以他打算尽可能多的利用风能和太阳能,以便让更多干净廉价的能源加盟,共同解决能源不足的问题。

水中取气靠降压

和“挤压空气”解决水危机的方法相比,人类利用水中溶解空气的研究要早得多。因为构成鱼鳃的鳃片上,遍布微血管。鱼鳃通过微血管作用,呼吸溶解在水中的空气。所以水中的鱼,时刻呼吸到新鲜氧气,同时排除二氧化碳。再说自然界飘忽不定的风、大海上此起彼伏的波涛、海面下的洋流,都在帮助海水溶解并传播少量的空气。测量表明,海面下200米深处,仍然有15%的溶解空气,鱼可以自由自在地进行吐故纳新。

在鱼的启发下,科学家率先用硅橡胶薄膜造出人工鱼鳃,供老鼠在水中呼吸用。接着,又研制出供人在水中呼吸的人工鳃。不足的是,这些人工鳃有的效率不高,有的使用很不方便。所以,潜水员在水下作业时,总离不开笨重的氧气瓶,还须靠随身携带的氧气瓶供应氧气。这种传统的呼吸方式,使潜水员的活动受限制,特别是长时间水下作业时,需要不断上岸更换氧气瓶。而氧气瓶又不能多带,否则会影响潜水员在水中的动作平衡,不利于水下作业。

为改善潜水员和潜艇工作环境,提高效率,以色列发明家阿隆·博德纳则另辟蹊径,创造出一个全新装置,以帮助小型潜水艇和潜水员,像鱼一样自由呼吸溶解在水中的空气,从而彻底摆脱笨重的氧气瓶。

根据物理学定律,液体中的气体溶解度,与它受到的压强成正比。对水来说,当它的压强增大时,溶解的气体相对多些。压强减小时,就会有更多的溶解空气从水中逸出。于是,阿隆·博德纳设计出一个由电池供电的小型密封装置。该装置中离心机在水中高速旋转时,水体压强减小,溶解在水里的空气不断排出。实验中,一台由锂电池供电的小型离心装置,每次获得的溶解空气,可供潜水员工作1小时。

现在,以色列海军有关部门和一些生产潜水设备的厂家,对博德纳的制氧装置表现出浓厚兴趣。他们相信这一新装置投放市场后,有望使潜水事业出现新面貌和新变化。

综上所述,我们不难看出无论是靠挤压空气获取饮用水,还是靠降压释放水中空气的方法,都充分体现了科学家慧眼独具的创新精神。正像诗人所说:“天机云锦随我用,剪裁妙趣非刀尺。”

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