【科技．未來】多國乾旱鬧水源荒 空氣取水研發競賽展開
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。
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。
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。
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。」
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。
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。
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。
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。」
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。」
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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