The Rainmaker
A. Sometimes ideas just pop up out of the blue. Or in Charlie Paton’s case, out of the rain. “I was in a bus in Morocco travelling through the desert,” he remembers. “It had been raining and the bus was full of hot, wet people. The windows steamed up and I went to sleep with a towel against the glass. When I woke, the thing was soaking wet. I had to wring it out. And it set me thinking. Why was it so wet?”
Đôi khi ý tưởng xuất hiện từ trên trời rơi xuống. Với Charlie Paton thì là “từ cơn mưa”. Ông nhớ lại: “Tôi ở trên một chiếc xe buýt tại Ma Rốc chạy xuyên sa mạc. Trời vừa mưa và chiếc xe chật kín người nóng bức, ướt át. Cửa kính mờ hơi nước, tôi ngủ với chiếc khăn tựa vào kính. Khi tỉnh dậy, chiếc khăn ướt sũng. Tôi phải vắt kiệt nước. Và điều đó khiến tôi suy nghĩ. Vì sao nó lại ướt đến thế?”
B. The answer, of course, was condensation. Back home in London, a physicist friend, Philip Davies, explained that the glass, chilled by the rain outside, had cooled the hot humid air inside the bus below its dew point, causing droplets of water to form on the inside of the window. Intrigued, Paton—a lighting engineer by profession—started rigging up his own equipment. “I made my own solar stills. It occurred to me that you might be able to produce water in this way in the desert, simply by cooling the air. I wondered whether you could make enough to irrigate fields and grow crops.”
Câu trả lời dĩ nhiên là sự ngưng tụ. Trở về London, một người bạn là nhà vật lý, Philip Davies, giải thích rằng tấm kính, bị mưa bên ngoài làm lạnh, đã làm khối không khí nóng ẩm trong xe hạ xuống dưới điểm sương, khiến giọt nước hình thành ở mặt trong ô cửa. Bị cuốn hút, Paton—vốn là kỹ sư ánh sáng—bắt đầu tự lắp đặt các thiết bị của mình. “Tôi tự làm các ‘solar stills’. Tôi nghĩ có thể tạo ra nước theo cách này ở sa mạc, đơn giản bằng việc làm mát không khí. Tôi tự hỏi liệu có thể tạo đủ nước để tưới ruộng và trồng trọt không.”
C. Today, a decade on, his dream has taken shape as a giant greenhouse on a desert island off Abu Dhabi in the Persian Gulf—the first commercially viable version of his “seawater greenhouse”. Local scientists, working with Paton under a license from his company Light Works, are watering the desert and growing vegetables in what is basically a giant dew-making machine that produces fresh water and cool air from sun and seawater. In awarding Paton first prize in a design competition two years ago, Marco Goldschmied, president of the Royal Institute of British Architects, called it “a truly original idea which has the potential to impact on the lives of millions of people living in coastal water-starved areas around the world.”
Hôm nay, sau khoảng một thập kỷ, giấc mơ ấy đã thành hình dưới dạng một nhà kính khổng lồ trên hòn đảo sa mạc ngoài khơi Abu Dhabi ở Vịnh Ba Tư—phiên bản khả thi thương mại đầu tiên của “nhà kính nước biển” của ông. Các nhà khoa học địa phương, làm việc với Paton theo giấy phép của công ty Light Works, đang “tưới” sa mạc và trồng rau trong một cỗ máy tạo sương khổng lồ, về bản chất sản xuất nước ngọt và không khí mát từ mặt trời và nước biển. Khi trao cho Paton giải nhất một cuộc thi thiết kế hai năm trước, Marco Goldschmied, Chủ tịch Viện Kiến trúc sư Hoàng gia Anh, gọi đây là “một ý tưởng thực sự độc đáo có khả năng tác động đến cuộc sống của hàng triệu người đang sống ở những khu vực ven biển khan hiếm nước trên toàn thế giới.”
D. The design has three main parts (see Graphic). The greenhouse faces into the prevailing wind so that hot, dry desert air blows in through the front wall of perforated cardboard, kept wet and cool by a constant trickle of seawater pumped up from the nearby shoreline. The evaporating seawater cools and moistens the air. Last June, for example, when the temperature outside the Abu Dhabi greenhouse was 46°C, it was in the low 30s inside. While the air outside was dry, the humidity in the greenhouse was 90 percent. The cool, moist air allows the plants to grow faster, and because much less water evaporates from the leaves their demand for moisture drops dramatically. Paton’s crops thrived on a single liter of water per square meter per day, compared to 8 liters if they were growing outside.
Thiết kế có ba phần chính (xem sơ đồ). Nhà kính quay mặt về hướng gió chủ đạo để không khí sa mạc nóng, khô thổi vào qua vách trước bằng bìa cứng đục lỗ, luôn được làm ướt và làm mát bởi dòng nước biển rỉ rả bơm từ bờ gần đó. Nước biển bay hơi làm mát và làm ẩm không khí. Tháng Sáu năm ngoái, chẳng hạn, khi nhiệt độ bên ngoài nhà kính ở Abu Dhabi là 46°C thì bên trong chỉ ở mức thấp 30°C. Bên ngoài không khí khô, còn trong nhà kính độ ẩm đạt 90%. Không khí mát ẩm giúp cây trồng lớn nhanh hơn, và vì nước bốc hơi khỏi lá ít hơn nhiều nên nhu cầu ẩm của chúng giảm mạnh. Cây trồng của Paton phát triển tốt chỉ với 1 lít nước trên mỗi mét vuông mỗi ngày, so với 8 lít nếu trồng ngoài trời.
E. The second feature also cools the air for the plants. Paton has constructed a double-layered roof with an outer layer of clear polythene and an inner, coated layer that reflects infrared light. Visible light can stream through to maximize photosynthesis, while heat from the infrared radiation is trapped in the space between the layers, away from the plants.
Đặc điểm thứ hai cũng làm mát không khí cho cây. Paton xây một mái hai lớp, với lớp ngoài là màng polyetylen trong suốt và lớp trong được phủ có khả năng phản xạ ánh sáng hồng ngoại. Ánh sáng khả kiến có thể đi qua để tối đa hoá quang hợp, trong khi nhiệt từ bức xạ hồng ngoại bị giữ lại trong khoảng không giữa hai lớp, cách xa cây trồng.
F. At the back of the greenhouse sits the third element, the main water-production unit. Just before entering this unit, the humid air of the greenhouse mixes with hot, dry air from between the two layers of the roof. This means the air can absorb more moisture as it passes through a second moist cardboard wall. Finally, the hot saturated air hits a condenser. This is a metal surface kept cool by still more seawater—the equivalent of the window on Paton’s Moroccan bus. Drops of pure distilled water form on the condenser and flow into a tank for irrigating the crops.
Ở phía sau nhà kính là thành phần thứ ba, bộ phận tạo nước chính. Ngay trước khi vào bộ phận này, không khí ẩm trong nhà kính trộn với không khí nóng, khô nằm giữa hai lớp mái. Nhờ đó, không khí có thể hấp thụ nhiều hơi ẩm hơn khi đi qua một vách bìa ướt thứ hai. Cuối cùng, luồng không khí nóng bão hoà đập vào một bộ ngưng tụ—một bề mặt kim loại được làm mát bằng thêm nước biển—tương tự ô cửa kính trên chiếc xe buýt ở Ma Rốc của Paton. Những giọt nước cất tinh khiết hình thành trên bộ ngưng tụ và chảy vào bể dùng để tưới cây.
G. The greenhouse more or less runs itself. Sensors switch everything on when the sun rises and alter flows of air and seawater through the day in response to changes in temperature, humidity and sunlight. On windless days, fans ensure a constant flow of air through the greenhouse. “Once it is tuned to the local environment, you don’t need anyone there for it to work,” says Paton. “We can run the entire operation off one 13-amp plug, and in future we could make it entirely independent of the grid, powered from a few solar panels.”
Nhà kính gần như tự vận hành. Hệ cảm biến bật mọi thứ khi mặt trời lên và điều chỉnh lưu lượng không khí, nước biển suốt ngày theo thay đổi của nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng. Khi lặng gió, các quạt bảo đảm không khí lưu thông liên tục qua nhà kính. “Khi đã tinh chỉnh theo môi trường địa phương, bạn không cần ai ở đó để nó hoạt động,” Paton nói. “Chúng tôi có thể vận hành cả hệ thống bằng một phích 13 ampe, và trong tương lai có thể khiến nó hoàn toàn độc lập với lưới điện, chạy bằng vài tấm pin mặt trời.”
H. The net effect is to evaporate seawater into hot desert air, then re-condense the moisture as fresh water. At the same time, cool moist air flows through the greenhouse to provide ideal conditions for the crops. The key to the seawater greenhouse’s potential is its unique combination of desalination and air conditioning. By tapping the power of the sun, it can cool as efficiently as a 500-kilowatt air conditioner while using less than 3 kilowatts of electricity. In practice, it evaporates 3000 liters of seawater a day and turns it into about 800 liters of fresh water—just enough to irrigate the plants. The rest is lost as water vapor.
Hiệu ứng tổng thể là làm bay hơi nước biển vào không khí sa mạc nóng, rồi ngưng tụ lại thành nước ngọt. Đồng thời, không khí mát ẩm lưu thông qua nhà kính để tạo điều kiện lý tưởng cho cây trồng. Chìa khoá cho tiềm năng của nhà kính nước biển là sự kết hợp độc đáo giữa khử muối và điều hoà không khí. Bằng cách khai thác sức mạnh mặt trời, nó có thể làm mát hiệu quả ngang một máy điều hoà 500 kW trong khi chỉ dùng chưa đến 3 kW điện. Thực tế, nó làm bay hơi 3000 lít nước biển mỗi ngày và chuyển thành khoảng 800 lít nước ngọt—vừa đủ tưới cây. Phần còn lại thất thoát dưới dạng hơi nước.
I. Critics point out that construction costs of £25 per square meter mean the water is twice as expensive as water from a conventional desalination plant. But the comparison is misleading, says Paton. The natural air conditioning in the greenhouse massively increases the value of that water. Because the plants need only an eighth of the water used by those grown conventionally, the effective cost is only a quarter that of water from a standard desalination. And costs should plummet when mass production begins, he adds.
Những người chỉ trích chỉ ra rằng chi phí xây dựng 25 bảng cho mỗi mét vuông khiến nước tạo ra đắt gấp đôi so với nước từ nhà máy khử muối truyền thống. Nhưng so sánh này gây hiểu lầm, Paton nói. Điều hoà tự nhiên trong nhà kính làm tăng mạnh giá trị của lượng nước đó. Vì cây trồng chỉ cần một phần tám lượng nước so với trồng theo cách thông thường, nên chi phí hiệu dụng chỉ bằng một phần tư so với nước từ khử muối tiêu chuẩn. Và khi bắt đầu sản xuất hàng loạt, chi phí sẽ giảm mạnh, ông bổ sung.
J. Best of all, the greenhouse should be environmentally friendly. “I suppose there might be aesthetic objections to large structures on coastal sites,” says Harris, “but it is a clean technology and doesn’t produce pollution or even large quantities of hot water.”
Trên hết, nhà kính còn thân thiện với môi trường. “Tôi cho rằng có thể có phản đối về thẩm mỹ đối với các công trình lớn ở bờ biển,” Harris nói, “nhưng đây là công nghệ sạch và không tạo ra ô nhiễm hay lượng nước nóng lớn.”