【科技.未來】多國乾旱鬧水源荒 空氣取水研發競賽展開

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歷經連續三年的旱冬,南非第二大城市開普敦的存水量岌岌可危,恐將成為首個無水可用的世界主要城市。正當所有人都在為日常用水而苦惱,開普敦終於迎來了朝思夜盼的大雨。久旱逢甘露固然可喜,然而,那些制水日子給民眾帶來的苦況卻仍歷歷在目,而開普敦往後的用水來源也依然未見樂觀。

近年多國旱災缺水,開普敦的用水危機再次警醒世人:水資源緊絀不可輕視。面對此情此景,不少科學家正另闢蹊徑,要把空氣中的水分轉換成飲用水。

南非開普敦因乾旱限制供水,市民排隊輪候食水。(Getty Images)

這種想法毫不遙遠,可能不少人會想起家用抽濕機的水,只是它們未經過濾,而且要作為飲用水源,所需電力絕不划算,也不環保。現時全球近八億人面對水源短缺,其他新技術如海水化淡仍十分昂貴,乾淨水源有限而系統封閉。

要為危機找出路,Water Abundance XPRIZE設計比賽策劃者Zenia Tata就解釋:「我們設計比賽之初,多番考慮第一原理。而無時無刻空氣中都有大量水分。」因此,比賽要求參賽者建造的裝置須利用再生能源,每日從空氣中取得至少2,000公升水(約足夠100人每日所需),且成本不可高於每公升2美仙。

Skywater空氣取水裝置設於貨櫃內(Skysource提供照片)

Skysource/Skywater團隊奪得XPrize的WEDEW空氣取水技術

新水源研發競賽

比賽2016年展開,Skysource與Skywater團隊成功達標,數星期前奪得150萬美元獎金。他們的裝置放於一個大貨櫃,使用所謂Wood-to-Energy Deployed Water(WEDEW)方法。裝置的Skywater技術模仿雨雲生成過程,把空氣吸入後冷卻,凝結成水滴後收集於水缸,經消毒過濾即可飲用。值得一提的是,他們將木屑、椰子殼或本地常見的生物質(biomass)氣化為可再生能源來取代過程中所需的大量電力,同一時間產生的過程副產品生物炭(biochar)則可作為土壤改良劑,幫助植物生長。而在樹木不多的地區,則可轉為使用太陽能電池,同樣毋須依靠電力。

「這是一項負碳(carbon-negative)技術,我想未來科技將愈來愈趨向這種恢復及再生模式,真正修補人類所作破壞。現存進度緩慢的基建無法應對氣候變化,例如開普敦那樣,我們的方式正好與之成一對比。」領導研發的加州建築師David Hertz說道。不過,比賽成本不包括設置機器成本,而他們2016年的雛形,成本要18,000美元。

WEDEW方法將椰子殼等氣化為可再生能源,以取代過程中所需的大量電力。(資料圖片/視覺中國)

太陽能乾燥劑吸水

全球有約12,900立方公里水分藏於空氣之中,比北美最大的蘇必略湖(Lake Superior)還要多,更是非洲最大淡水湖維多利亞湖(Lake Victoria)的五倍。但這些水分所指的不是雲,而是那些可化成凍飲杯外水珠或樹上晨露的水。因此,在Skysource和Skywater所使用的主流機械冷卻方法之外,也吸引了不少科學家嘗試各種空氣抽水飲用的方法(Water from Air,WFA)。

亞利桑那州立大學材料科學副教授Cody Friesen在滿布沙漠的亞利桑那度過他的童年。他創立的公司Zero Mass Water採取另一種進路,用一種猶如「化學海綿」的乾燥劑物料從空氣中吸水。Friesen介紹:「乾燥劑是我在大學的研究團隊研發的,它在濕度低於5%的情況下仍可吸水。舉個例子,當你打開砂糖罐蓋,糖便會逐漸結成一塊一塊。糖就是天然的乾燥劑,但十分緩慢,而我們的物料就好快。」

Zero Mass Water以太陽能配合乾燥劑,從空氣抽水飲用。(Zero Mass Water Twitter圖片)

因為商業機密的緣故,Friesen不肯透露乾燥劑的組成成分,只說當中含有氯化鋰(lithium chloride)和有機離子等。他們的吸水裝置Source裝在屋頂,用改良過的太陽能板推動小型風扇抽入空氣,而熱力可把吸水劑中的水分逼出,在室溫自然凝結聚集,再加入鈣和鎂就可飲用。

Source每塊成本4,000美元,每天只可產出3至5公升水,遠不及可製25至30公升的機械冷卻方法,但該裝置的運行只需100瓦特(watt)功率,且電源上毋須連結電網,比使用大約需要500瓦特的冷卻方法為低。營運五年,Source每公升水成本現為15美仙。Friesen希望可吸引那些花大錢買樽裝水的顧客:「全球每年約有5,000億公升樽裝水售出,減少這個數字吧。它牽涉的碳足迹、塑膠足迹十分龐大。」

加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)化學教授Omar Yaghi正研究以「金屬有機框架」物料(MOFs)抽取飲用水,原理也類似Source。不過這種物料結構獨特,即使只有方糖大小,內部表面積卻比足球場更大,理論上可吸收大量氣體或液體,並在加熱時釋放。

在非洲埃塞俄比亞、多哥等國,以當地常見物料和技術搭成Warka Tower水塔收集露水。(Warka Tower Flickr照片)

非洲建水塔採晨露

還有一種毋須使用電力和太陽能的空氣抽水方法,即使最落後的地方亦能使用。自2015年起,非洲埃塞俄比亞矗立了高10米、花瓶型的竹棚水塔,名為Warka Tower。近年來,這種水塔在多哥和海地等地方也多了起來。竹棚支架撐起幾張密度不一的纖維網來收集晨露,儲於塔底的水經石頭過濾後便可飲用。他估算,一棟五米高的小型水塔建造成本約3,000美元,可供約50人使用;可供250人使用的25米高水塔則需3萬美元。

在多霧的季節,Warka Tower可持續供應飲用水。設計者意大利建築師Arturo Vittori補充:「即使無雨無霧,仍有夜間凝結的露水。我們的集水缸容量由1,600公升至10萬公升不等。」水塔的竹子來自當地,由該地居民用傳統方法編織而成,容易打理。「現時,我們嘗試在海地及多哥使用其他當地材料,包括棕櫚葉等。」

Vittori認為Warka Tower是非一般的空氣抽水方法:「這需要對當地傳統和物料有充分理解。它遠超於一部由貨車派送的機器。它沒有機械部件,全靠地心吸力、空氣和風。」他希望當地人能自行建造更多水塔。然而,Vittori此言也道出了Warka Tower的弱點。在最乾旱的夜晚,水塔可以滴水不沾。水源顧問Roland Wahlgren質疑這種依賴濕氣的方法,「只在特定地區有用,而全球沒有多少這種地方。」顯然,Warka Tower無法滿足那21億沒有乾淨食水的人的需求。

南非開普敦經歷連續三個旱冬,當地主要水源之一Theewaterskloof水壩乾至見底,土地龜裂。(視覺中國)

誰是下一個開普敦

水源危機或許比我們想像中要近。地球被稱為藍色星球,水量多達12億兆公升,但其中97%是鹹的海水,2%封在南極的冰中,人類只靠剩餘的1%生存。然而,全球用水量隨人口不斷膨脹而增。據美國太空總署的衛星數據,印度北部的含水層,在短短十年內減少了110兆公升;而聯合國統計則顯示,人類在本世紀的用水量增加了七倍,到2025年,將有三分之二的人口面臨嚴重水源壓力。

現時已有21億人沒有乾淨飲用水,受污染水源每年導致50萬人死於腹瀉,一些貧窮地區的人沒得選擇還要被收取不合理的價格。在相對富庶的國家,地下水或河流因密集的農業和工業而被逐漸搾乾。還有污染問題,例如美國密歇根州佛林特市(Flint)的鉛水事件,就令中產人士轉買樽裝水。全球樽裝水市場自2013年起以每年10%增長,去年銷售達3,910億公升,比15萬個奧運標準泳池還多。

全球樽裝水市場自2013年起以每年10%增長。(資料圖片/視覺中國)

過去三年的冬天,百年難見的乾旱令開普敦幾乎滴雨不出。政府在本年1月宣布,在4月會出現歸零日(day zero),即當地存水量將用盡。政府因而下令每人每天只可用水50公升(港人每日用水量大約130公升),超出用量的家庭將被罰款,甚至斷水。

受影響地區的農民損失約四分之一農作物;限制用水也導致飲用水囤積居奇、恐慌、遊客取消預訂,甚至騷亂。超市限制每名顧客買水量;售賣水缸和水池蓋的店舖缺貨;鑽井水大排長龍;甚至抽濕機也售罄。而市民的習慣也要大改,開始在浴缸或桶中淋浴,洗完澡的水用來洗衫,再用來沖廁,有些人還限制每日只沖廁一次。年輕白領Fiona Kinsey就說:「我從未談過廁所這麼多次。」

在南非開普敦的《彭博社》(Bloomberg)記者John Viljoen,收集洗澡水來沖廁。(視覺中國)

有很多另類的方法交到開普敦副市長Ian Neilson的辦公室,例如以「播雲」(cloud-seeding)的人工方法下雨、在南極輸入1億噸冰山,也包括從空氣中抽水。提議引入冰山的救援人員Nick Sloane說:「你可能覺得意念瘋狂,但仔細想想,為何不可?」只叫整個城市不再浸浴,「是錯誤的答案」。而排隊輪候食水的市民Sue Fox就反省:「歸零日令我們對用水三思,我們再不會視水是理所當然。」

開普敦大學城市水源小組首席研究員Kevin Winter批評,政府官員單純地假設未來降雨模式將與以往大同小異:「就像開車只看倒後鏡,解決了舊問題但沒有留意到前方的危機。結果撞上了大貨車。」

巴西早前經歷了80年來最嚴重旱災。一名老婦剛洗完衣服,把洗衣水儲起,用來清潔家居地板。(視覺中國)

世界資源研究所全球水源計劃總監Betsy Otto提醒,其他國家應視開普敦旱災為水源壓力的警號:「回想美國加州,五年旱災後出現了歷史新高的積雪,之後又再出現更嚴重的旱災。這種擺動可能會成為新的常態。」而WRI的食物、森林及水源計劃總監Charles Iceland則預期:「未來將有更多潛在的開普敦,全球的情況只會愈來愈差,水需求愈來愈大,也開始感受到氣候變化帶來的影響。」

事實上,開普敦早已不是水源危機的孤例。水源危機成因繁雜,因地而異。2008年,西班牙巴塞隆拿經歷60年來最嚴重旱災,結果要從法國輸入飲用水;2015年,有2,000萬人口的巴西城市聖保羅出現80年來最嚴重旱災,曾每日停止供水12小時;乾旱的雅加達過度抽取地下蓄水而下沉,漸被海水和雨水淹沒而缺乏食水;2,100萬人口的墨西哥城,現時已有五分之一人每天只有數小時有自來水供應;墨爾本官員去年則預期該市大約10年後會缺水。氣候變化影響全球,大城市如印度班加羅爾、北京、開羅,甚至莫斯科也潛藏同樣危機。

上文節錄自第135期《香港01》周報(2018年10月29日)《沒有水的城市 未來水源來自空氣》。

水源危機有何出路,詳見另文《【科技.未來】用水陋習與利益衝突 解決水荒如何困難?》

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