【成果掠影 & 研究背景】
太阳能驱动界面蒸发（SDIE）通过将太阳热能集中在空气-水界面实现高效蒸发，在水净化、灭菌、农业和资源提取等方面展现出巨大潜力，被认为是实现联合国可持续发展目标的重要技术路径。然而，评估其真实世界潜力一直困难重重：SDIE性能对当地太阳辐照、温度、湿度、风速等气象条件高度敏感，且资源可用性与需求在空间和时间上差异巨大。以往研究多局限于特定区域、短期实验或简单年度均值输入，无法提供全球尺度、高时空分辨率且经过验证的系统性评估。
针对这一瓶颈，本研究开发并实验验证了一个基于物理原理的SDIE气候-性能模型。该模型以菲克定律为基础，将蒸发通量与界面-环境水蒸气浓度梯度、风速、温度、气压和扩散系数关联，并在受控实验及中国南京多天现场实验（覆盖晴天、多云和阴天）中验证。受控实验中，模型预测与不同孔径蒸发器的实测通量高度一致；现场实验中，对于体相蒸发、被动SDIE和主动SDIE三种构型，基于现场气象站和ERA5-Land再分析数据的模型输出均与实验结果吻合。在此基础上，研究进一步构建了开源地理空间工具集SDIE-Geo，整合高分辨率气象、水文和社会经济数据，以约9公里、1小时分辨率绘制1950年至今的全球SDIE性能图，并开展重合分析以揭示实际部署潜力。量化结果显示：2015至2024年，被动SDIE年均蒸发速率在非洲南北部、阿拉伯半岛、澳大利亚内陆和美国西南部等区域最高；美国加州季节性差异超过600%，冬季约6.9升每平方米每天，夏季约51.3升每平方米每天；全球尺度上，SDIE蒸发与温度、辐照、风速正相关，与相对湿度强负相关（相关系数r=-0.84）；气候变暖每升高1°C，全球平均输出约增加7%，预计本世纪末较2000年增加5%至28%。在应用层面，每天2升水阈值下，0.7平方米的SDIE装置可覆盖全球缺乏安全饮用水且地表水可及人口的90%，相当于为约10亿人提供每日饮用水基础；尼日尔可实现全年有效灭菌；主动SDIE在主要锂盐湖可将卤水浓缩速度提升至传统太阳能池的135倍。这些数据为SDIE的规划与设计提供了明确的定量依据。
【创新点 & 图文摘要】
创新点：
建立并实验验证了普适的SDIE气候-性能模型。该模型基于菲克定律，统一描述了平面、球形、屋顶式、圆柱形等不同构型SDIE的共同物理机制，输入变量均可从标准气象数据获取。受控实验中模型预测与两种TFC蒸发器实测通量高度吻合；现场实验中，基于现场气象站和ERA5-Land再分析数据的模型输出同样与体相蒸发、被动和主动SDIE的实验结果一致，证实了模型的可靠性与普适性。
开发了开源可扩展的地理空间工具集SDIE-Geo。SDIE-Geo基于Google Earth Engine构建，集成了ERA5-Land等高分辨率气候数据，以约9公里和1小时的分辨率计算并绘制全球SDIE性能图，支持从1950年至今的长期分析。该工具可自由获取，不仅用于SDIE，还能扩展至任何气候-性能关系已知的技术，为全球评估提供了通用平台。
揭示了真实天气条件下SDIE性能的多因素耦合规律。通过对全球逐点长期数据的统计相关分析，发现SDIE蒸发与温度（r=0.67）、太阳辐照（r=0.77）、风速（r=0.54）正相关，与相对湿度（r=-0.84）强负相关。这种多因子综合视角纠正了以往单因素评估的偏差。例如，秘鲁东南部太阳辐照高达266瓦每平方米，但因低温（278.9开尔文）和弱风速（1.5米每秒）导致实际蒸发通量低，不适合部署。
首次量化了气候变化对SDIE长期输出的影响。全球平均SDIE输出在1995至2024年间呈上升趋势，每升高1°C约增加7%；基于此，预估到本世纪末全球输出较2000年增加5%至28%。但变化在空间上高度不均匀，亚马孙流域、中南部非洲和东欧增加，而印度和中国南部下降。这种异质性说明高分辨率长期评估的必要性。
绘制了SDIE增强因子（相对自然蒸发）全球图，识别出双高优先区域。被动和主动SDIE的增强因子在全球分布差异显著，热带和赤道地区、青藏高原及南美西部增强因子超过500%。同时满足高蒸发通量和高增强因子（即均在前50%）的区域包括东非、巴西和东南亚，这些区域是SDIE部署的最优选址。
为若干关键可持续发展目标应用提供了可执行的设计目标和优先国家清单。饮用水供应方面，以每天2升为需求阈值，0.15平方米设备可服务缺乏安全饮用水人口的一半，0.7平方米设备覆盖90%，考虑性能衰减后最多需要2.0平方米；优先国包括冈比亚、佛得角、塞内加尔和苏丹。废水处理方面，埃及、乍得、苏丹、科威特和布基纳法索是最佳候选。灭菌方面，在高死亡率15个国家中，年有效灭菌天数在197至365天之间，其中尼日尔可全年灭菌。锂提取方面，主动SDIE在主要锂盐湖的增强因子达135倍，显著拓宽可开采卤水范围。
图1 | 量化SDIE对可持续发展目标相关应用全球潜力的工作流程。该流程包含三个主要组成部分：第一，开展现场测试，建立将气象条件与SDIE输出联系起来的气候-性能模型；第二，开源地理空间工具集SDIE-Geo将该模型应用于高分辨率全球气候数据，以高时空分辨率绘制SDIE性能图；第三，全面的重合分析将SDIE性能图与当地资源可用性、需求和社会经济指标相对齐，量化SDIE对水净化、灭菌、废水处理和资源提取等可持续发展目标相关应用的潜在贡献。底图来自Natural Earth。
图2 | SDIE的建模框架与实验验证。a，SDIE的物理原理：尽管器件配置各异，SDIE共享相同工作机制，即局部光热加热使界面水蒸气浓度C_evap高于环境C_amb，形成驱动蒸发的浓度梯度；基于该机制模型可准确预测不同天气下的SDIE性能。b，受控实验验证平台，采用由金层和多孔AAO基底组成的TFC蒸发器，金膜电阻加热精确控温，AAO提供明确蒸发结构；右图为复合蒸发器截面扫描电镜图像（比例尺400纳米）。c和d，两个平均孔径分别为246纳米和71.7纳米的TFC蒸发器实测蒸发通量与水蒸气浓度梯度C_evap-C_amb的关系，模型预测（虚线）与实验数据（符号）吻合。e，南京现场验证（2024年9月6日至24日），测试了体相蒸发、被动SDIE和主动SDIE三种配置，基于现场气象站和ERA5-Land数据的模型输出与实验结果一致。
图3 | 真实天气条件下SDIE的全球性能。a，被动SDIE平均年蒸发速率（2015-2024年），高值出现在非洲北部和南部、阿拉伯半岛、澳大利亚内陆和西部、美国西南部、墨西哥北部和南美东部。b，代表性区域（美国加州、印度北方邦、南美锂三角区）的日均SDIE速率，实线为均值，阴影为年际变率标准差。c，全球站点年SDIE速率与年平均气象变量的相关性（保留2%点以显示整体模式）。d，1995-2024年全球平均年度SDIE输出，温度每升高1°C输出增加约7%。e，被动SDIE输出在2005-2014与2015-2024间的年代际变化，红色表示增加，蓝色表示减少。f，被动SDIE增强因子（相对自然蒸发），增强因子超过500%的区域包括热带、青藏高原和南美西部。
图4 | 在现实地表水约束下SDIE的全球饮用水供应潜力。a，SDIE支持饮用水生产的全球潜力分布图，估算为SDIE蒸发量乘以70%冷凝效率，且仅在有地表水的区域（JRC全球地表水数据集）有效。b，国家/地区级综合评价（结合气象、技术和社会经济指标），低收入、基础设施受限且缺水国家如冈比亚、佛得角、塞内加尔和苏丹为优先部署对象。c，每天2升和5升阈值下，因经济和基础设施限制而无法获得安全饮用水的人口随SDIE设备面积的变化；当本地年淡水产量超过年需求时视为缺水缓解。
图5 | SDIE在资源回收和公共卫生中的全球应用。a，全球四个主要锂盐湖区域主动SDIE相对传统太阳能池的日增强因子，实线为均值，阴影为标准差。b，SDIE用于分散式废水处理，各国按每日SDIE蒸发量与人均未处理废水量绘制，首选候选包括埃及、乍得、苏丹、科威特和布基纳法索。c，15个高死亡率国家的SDIE灭菌潜力，左柱为死亡率（每10万人），右柱为年灭菌天数，即太阳能条件满足有效病原灭活的天数，数据为3年（n=3）平均值加减标准差。
【总结 & 原文链接】
本研究通过将实验验证的气候-性能模型与高分辨率气候、水文和社会经济数据相结合，系统量化了太阳能驱动界面蒸发（SDIE）对多项联合国可持续发展目标的全球贡献。在良好健康与福祉（SDG 3）方面，SDIE提供的分布式太阳能灭菌可在尼日尔实现全年有效灭菌（365天）；在清洁饮水与卫生设施（SDG 6）方面，SDIE能够服务冈比亚、佛得角、塞内加尔和苏丹等水资源短缺国家，每天2升水阈值下0.15平方米装置可满足一半缺水人口需求，0.7平方米可覆盖90%；在经济适用的清洁能源（SDG 7）方面，主动SDIE可将锂盐湖卤水蒸发速度提升至传统太阳能池的135倍，解锁低品质锂资源。研究同时指出，气候变化将平均每升温1°C使全球SDIE输出增加约7%，但区域差异显著，需依靠高分辨率长期评估指导部署。此外，研究开发的SDIE-Geo开源工具集意义深远，它不局限于SDIE本身，而是为任何气候敏感技术提供了通用的全球评估框架，可结合真实环境和社会经济数据识别优先区域、指导器件设计和制定区域政策，推动技术从实验室走向规模化实际应用。
原文链接: https://doi.org/10.1038/s44221-026-00728-4
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