این دستگاه کوچک در بیابان هم آب آشامیدنی تولید می‌کند!

مهندسان MIT یک دستگاه برداشت آب از اتمسفر ساخته‌اند که می‌تواند در هر مکانی، حتی در محیط‌های خشک مانند دره مرگ کالیفرنیا، آب شیرین تولید کند.

امروزه، ۲.۲ میلیارد نفر در سراسر جهان به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند و بسیار از افراد دیگر با ناامنی آبی مواجه هستند، یعنی بدون آب لوله‌کشی زندگی می‌کنند یا به منابعی که برای نوشیدن ناامن هستند، وابسته‌اند. با افزایش تقاضا برای آب تمیز، منابع سنتی مانند رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و مخازن به حداکثر ظرفیت خود رسیده‌اند.

برای کمک به رفع این چالش، مهندسان MIT در حال بررسی یک منبع جایگزین هستند: هوا! اتمسفر زمین تریلیون‌ها گالن آب را به شکل بخار در خود نگه می‌دارد. اگر این بخار به‌طور کارآمدی جذب و متراکم شود، می‌تواند در مناطقی که منابع سنتی آب در دسترس نیستند، آب آشامیدنی تمیز فراهم کند.

تیم MIT با هدف دستیابی به این هدف، یک دستگاه جدید برداشت آب از اتمسفر را توسعه و آزمایش کرده است که با موفقیت بخار را جذب کرده و آب آشامیدنی سالم را در طیف وسیعی از سطوح رطوبت، از جمله هوای بسیار خشک بیابان، تولید می‌کند.

این دستگاه یک پنل عمودی مشکی به اندازه یک پنجره است. این پنل از یک هیدروژل جاذب آب ساخته شده و در یک محفظه شیشه‌ای با پوشش خنک‌کننده، محصور شده است. هیدروژل، که شبیه بسته‌بندی حباب‌دار مشکی است، دارای اشکال گنبدی کوچک است که با جذب بخار آب متورم می‌شوند. هنگامی‌که بخار تبخیر می‌شود، گنبدها به شکلی شبیه اوریگامی کوچک می‌شوند. بخار روی سطح شیشه متراکم شده و به عنوان آب تمیز و قابل شرب از طریق یک لوله جریان می‌یابد.

برخلاف سایر سیستم‌هایی که به باتری، پنل‌های خورشیدی یا برق وابسته هستند، این دستگاه کاملاً به‌خودیِ‌خود کار می‌کند. این تیم تحقیقاتی آن را به مدت بیش از یک هفته در دره مرگ کالیفرنیا – خشک‌ترین منطقه در آمریکای شمالی – آزمایش کرد. حتی در شرایط رطوبت کم، این دستگاه تا ۱۶۰ میلی‌لیتر آب آشامیدنی در روز تولید کرد که تقریباً دو سوم یک فنجان است.

این تیم تخمین می‌زند که چندین پنل عمودی، که در یک مجموعه کوچک قرار داده شوند، می‌توانند به‌صورت غیرفعال آب آشامیدنی یک خانواده را تأمین کنند، حتی در محیط‌های بیابانی خشک! علاوه بر این، تولید آب این سیستم باید با افزایش رطوبت، در اقلیم‌های معتدل و گرمسیری نیز افزایش یابد.

ژوانهه ژائو، استاد مکانیک و مهندسی عمران و محیط زیست در MIT می‌گوید:

ما یک دستگاه در مقیاس متر ساخته‌ایم که امیدواریم آن را در مناطق محروم از منابع، که حتی سلول خورشیدی نیز در دسترس نیست، مستقر کنیم. این یک آزمایش امکان‌سنجی در مقیاس‌بندی این فناوری برداشت آب است. اکنون مردم می‌توانند آن را حتی بزرگتر بسازند یا آن را به پنل‌های موازی تبدیل کنند تا آب آشامیدنی را به مردم برسانند و تأثیر واقعی بگذارند.

ژائو و همکارانش جزئیات طراحی جدید برداشت آب را در مقاله‌ای که در مجله Nature Water منتشر شده است، ارائه می‌کنند. نویسنده اصلی این مطالعه، ویل چانگ لیو، محقق پسادکتری سابق MIT بوده که در حال حاضر استادیار دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) است. همکاران MIT شامل شیائو-یون یان، شاکانگ لی، و بولی دنگ، به همراه همکارانی از چندین موسسه دیگر هستند.

ظرفیت حمل

هیدروژل‌ها مواد نرم و متخلخلی هستند که عمدتاً از آب و یک شبکه میکروسکوپی از الیاف پلیمری متصل به هم ساخته شده‌اند. گروه ژائو در MIT عمدتاً استفاده از هیدروژل‌ها را در کاربردهای زیست‌پزشکی، از جمله پوشش‌های چسبنده برای ایمپلنت‌های پزشکی، الکترودهای نرم و انعطاف‌پذیر، و برچسب‌های تصویربرداری غیرتهاجمی بررسی کرده است.

ژائو می‌گوید:

از طریق کار ما با مواد نرم، یک خاصیت را به خوبی می‌دانیم و آن این است که هیدروژل در جذب آب از هوا بسیار خوب عمل می‌کند.

محققان در حال بررسی تعدادی از راه‌ها برای برداشت بخار آب برای آب آشامیدنی هستند. از جمله کارآمدترین آنها تاکنون، دستگاه‌هایی هستند که از چارچوب‌های فلز-آلی یا MOFs ساخته شده‌اند – مواد فوق متخلخل که نشان داده شده است آب را از هوای خشک بیابان نیز جذب می‌کنند. اما MOFs هنگام جذب آب متورم یا کشیده نمی‌شوند و در ظرفیت حمل بخار محدود هستند.

آب از هوا

دستگاه جدید برداشت آب مبتنی بر هیدروژل این گروه، مشکل اصلی دیگری را در طرح‌های مشابه حل می‌کند. گروه‌های دیگر دستگاه‌های برداشت آب را از هیدروژل‌های میکرو یا نانو متخلخل طراحی کرده‌اند. اما آب تولیدشده از این طرح‌ها می‌تواند شور باشد و نیاز به فیلتر کردن اضافی دارد. نمک یک ماده ذاتاً جاذب است و محققان نمک‌ها – معمولاً کلرید لیتیوم – را در هیدروژل جاسازی می‌کنند تا جذب آب ماده را افزایش دهند. با این حال، مشکل این است که این نمک می‌تواند با آب هنگام جمع‌آوری آن نشت کند.

طراحی جدید این تیم به‌طور قابل توجهی نشت نمک را محدود می‌کند. در داخل خود هیدروژل، آنها یک ماده اضافی گنجانده‌اند: گلیسرول، یک ترکیب مایع که به‌طور طبیعی نمک را تثبیت می‌کند و آن را در داخل ژل نگه می‌دارد تا از تبلور و نشت آن با آب جلوگیری کند. خود هیدروژل دارای یک ریزساختار است که فاقد منافذ نانومقیاس است، که بیشتر از فرار نمک از ماده جلوگیری می‌کند. سطح نمک در آبی که آنها جمع‌آوری کردند، زیر آستانه استاندارد برای آب آشامیدنی سالم و به‌طور قابل توجهی زیر سطوح تولید شده توسط بسیاری از طرح‌های مبتنی بر هیدروژل دیگر بود.

علاوه بر تنظیم ترکیب هیدروژل، محققان بهبودهایی در شکل آن نیز ایجاد کردند. به جای نگه داشتن ژل به صورت یک ورق صاف، آن را به شکلی از گنبدهای کوچک شبیه بسته‌بندی حباب‌دار قالب‌گیری کردند که سطح ژل و میزان بخار آبی را که می‌تواند جذب کند، افزایش می‌دهد.

محققان نیم متر مربع هیدروژل ساختند و ماده را در یک محفظه شیشه‌ای شبیه پنجره قرار دادند. آنها قسمت بیرونی محفظه را با یک فیلم پلیمری خاص پوشش دادند که به خنک شدن شیشه کمک می‌کند و هر بخار آبی را در هیدروژل تحریک می‌کند تا تبخیر شده و روی شیشه متراکم شود. آنها یک سیستم لوله‌کشی ساده برای جمع‌آوری آب هنگام جریان یافتن روی شیشه نصب کردند.

در نوامبر ۲۰۲۳، تیم به دره مرگ کالیفرنیا سفر و دستگاه را به عنوان یک پنل عمودی نصب کرد. در طول هفت روز، آنها اندازه‌گیری‌ها را در حالی‌که هیدروژل در طول شب (زمانی از روز که بخار آب در بیابان بیشترین است) بخار آب را جذب می‌کرد، انجام دادند. در طول روز، با کمک خورشید، آب برداشت شده از هیدروژل تبخیر شده و روی شیشه متراکم می‌شد.

در طول این دوره، دستگاه در طیف وسیعی از رطوبت، از ۲۱ تا ۸۸ درصد، کار کرد و بین ۵۷ تا ۱۶۱.۵ میلی‌لیتر آب آشامیدنی در روز تولید کرد. حتی در خشک‌ترین شرایط، این دستگاه بیشتر از سایر طرح‌های غیرفعال و برخی طرح‌های فعال با انرژی، آب برداشت کرد.

لیو می‌گوید:

این فقط یک طراحی اثبات مفهوم است و چیزهای زیادی وجود دارد که می‌توانیم آنها را بهینه کنیم. به عنوان مثال، می‌توانیم یک طراحی چند پانل داشته باشیم. و ما در حال کار بر روی نسل بعدی این ماده برای بهبود بیشتر خواص ذاتی آن هستیم.

ژائو، که قصد دارد پنل‌ها را در بسیاری از مناطق کم‌منابع آزمایش کند، می‌گوید:

ما تصور می‌کنیم که یک روز می‌توانید مجموعه‌ای از این پنل‌ها را مستقر کنید و ردپای آن بسیار کوچک است زیرا همه آنها عمودی هستند. سپس می‌توانید پنل‌های زیادی را با هم داشته باشید که همیشه آب جمع‌آوری می‌کنند، در مقیاس خانگی.

منبع: Scitechdaily