超音波振動引領大氣取水技術革新
科技產業資訊室(iKnow) - 廖雅韻、謝欣妤 發表於 2025年11月21日
圖、超音波振動引領大氣取水技術革新
隨著氣候變遷加劇與乾旱頻率上升，全球許多地區正面臨日益嚴峻的水資源短缺問題，不僅造成居民日常用水困難，也牽動當地產業、公共衛生與整體安全。對許多區域而言，興建大型淨水或輸水基礎設施往往成本高昂、難以負擔，使得如何以更有效率的方式收集並再利用有限的水資源，成為當地永續發展的核心議題。
然而，大氣中蘊藏著高達 12,900 億噸的淡水，猶如一座巨大的「隱形水庫」，卻尚未被有效利用。過去常見的霧氣收集技術，只能在濕度極高的環境中運作；若要在乾燥地區從空氣中取得水，就必須依賴更先進、且不受相對濕度限制的大氣取水技術（Atmospheric Water Harvesting, AWH）。
現行AWH主要分成兩大類：其一是主動冷卻法（Active Refrigeration），透過將空氣冷卻至露點以下以促進冷凝；其二則是吸附-脫附法（Sorption-Desorption），利用多孔、親水性的材料從空氣中抓取水分，再以加熱方式將水蒸發並冷凝回收。特別是熱脫附技術，因涉及將水從液態轉為氣態再凝結的「相變」過程，必須消耗巨大能量來克服水的蒸發焓，這道熱力學的物理高牆，長久以來限制了大氣取水技術的普及與應用。
基於上述挑戰，麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）研究團隊開發出一種利用超音波振動的大氣取水裝置，以「聲波」取代「熱能」的技術，研究成果發表於《Nature Communications》期刊。該裝置核心由扁平陶瓷環與高頻振動薄膜組成，當電壓施加後，薄膜會產生超音波級振動，使吸附材料中的水分子逐漸被振離。被甩出的水滴再經由外層的微型噴嘴結構導流，最終匯入位於陶瓷環下方的集水容器。由於此方法不依賴高溫，能以極低能耗完成脫附，因此被視為重新定義AWH架構的重要突破。
實驗數據證實了這項技術的驚人效能。使用聚丙烯醯胺-氯化鋰（Polyacrylamide and Lithium Chloride, PAM-LiCl）水凝膠進行測試時，該系統單次脫附的最低能耗僅為 0.336 MJ/kg，與傳統熱脫附技術相比，能耗降低了至少 45 倍，甚至低於一般的家用除濕機。若換算為等效熱效率，其表現高達 428%，遠遠超越了傳統熱過程 100% 的理論極限。此外，超音波振動將水分釋放的時間從傳統的數小時大幅縮短至2分鐘，這意味著設備能在一天內進行多次吸附與脫附循環，極大化了單一裝置的產水能力。
除了效能上的飛躍，這項技術在商業應用與設計上也展現出極高的靈活性。由於運作過程不需要依賴陽光或高溫加熱，整套裝置可以進行垂直堆疊，實現模組化擴充。以一平方公尺的單層系統為例，每日產水量約 3.25 公升，若堆疊五層則可提升至 16.25 公升。在經濟效益方面，初步估算在相對濕度 75% 的環境下，其產水成本約為每公升 0.19 美元，已低於許多缺水地區的瓶裝水售價。
更值得一提的是，該系統整合了智慧感測技術，壓電致動器（Piezoelectric Actuator）本身兼具感測功能，透過監測阻抗變化來掌握吸附狀態。搭配深度學習模型，系統能 100% 精準判斷何時吸附飽和、何時應切換至提取模式，實現完全自動化運作。
綜上所述，這項技術為低耗能、高效率的大氣取水裝置提供具前瞻性的發展方向。對乾旱地區和缺乏集水基礎設施的區域而言，該技術不僅是一個具成本效益的選擇，更可能成為改變當地供水模式的新起點，使全球朝永續發展的目標邁進。（1201字；圖1）
參考資料：
Ultrasonic device dramatically speeds harvesting of water from the air. TechXplore, 2025/11/18
High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction. Nature Communication, 2025/11/18
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