استفاده از نور خورشید برای استخراج آب آشامیدنی از هوای خشک

بر اساس آخرین گزارش سازمان بهداشت جهانی، تقریباً ۲ میلیارد انسان روی کره‌ی زمین به آب آشامیدنی تمیز دسترسی ندارند. محققان دانشگاه‌های برکلی و ماساچوست (MIT) برای حل این مشکل اقدام به ساخت دستگاهی با منبع انرژی خورشیدی کرده‌اند که می‌تواند در مناطقی نظیر صحرا از یک منبع تقریباً بلااستفاده آب به دست آورد؛ منبع دانشمندان برای تهیه‌ی آب، هوا است که طبق برآوردها ۱۳ هزار تریلیون آب در خود ذخیره دارد.

باید گفت که استخراج آب از هوا ایده‌ی جدیدی نیست. شرکت‌هایی نظیر Warka Water، EcoloBlue و Water Gen نیز اخیراً دست به استفاده از این روش زده‌اند. با این حال، دستگاه‌های استخراج آب آن‌ها همگی نیازمند شرایط ویژه‌ای برای کار کردن هستند؛ رطوبت بالا یا یک منبع تأمین انرژی از نیازهای این دستگاه‌ها هستند؛ اما تیم حاضر در پشت پروژه‌ی استخراج آب به سرپرستی عمر یاگی، به دنبال توسعه‌ی روشی است که حتی افراد ساکن در مناطق خشک و صحراها، بدون دسترسی به منبع برق هم بتوانند از آن استفاده کنند.

آن‌ها برای دستیابی به این مهم به سراغ استفاده از یک دسته از مواد مصنوعی موسوم به «چهارچوب‌های فلزی ارگانیک» (MOFs) رفته‌اند. این مواد حاوی ترکیبی از فلزات هستند که با استفاده از مولکول‌های ارگانیک با یک ساختار به هم تنیده، به یکدیگر متصل شده‌اند.

این ساختار محکم و متخلخل می‌تواند مولکول‌های مایع و گازی را به دام انداخته و به عناصر غیرضروری اجازه‌ی عبور از میان خود را بدهد. MOFsها تا به امروز در جذب گازهایی نظیر دی‌اکسید کربن، هیدروژن و متان مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

در این مورد، دستگاه استخراج آب از یک MOF مبتنی بر زیرکونیم استفاده می‌کند. این ماده در سال ۲۰۱۴ توسط یاگی و همکاران او در دانشگاه برکلی برای جذب مولکول‌های آب ساخته شده است. ماده‌ی یادشده که بین یک جذب‌کننده‌ی خورشیدی و یک کندانسور (متراکم کننده) قرار می‌گیرد، مولکول‌های آب در هوا را جذب می‌کند. سپس نور خورشید باعث گرم شدن چهارچوب فلزی ارگانیک شده و مولکول‌های آب را به‌سوی کندانسور هدایت می‌کند. کندانسور نیز مولکول‌های آب را متراکم کرده و آن‌ها را به شکل قطره‌های آب در یک مخزن ذخیره می‌سازد. اِولین وانگ، رئیس آزمایشگاه تحقیقاتی دانشگاه MIT که تیم او این دستگاه را طراحی کرده است، می‌گوید:

این دستگاه روش جدیدی برای جمع‌آوری آب از هوا بدون نیاز به شرایط آب و هوایی نسبتاً مرطوب را فراهم کرده است و نسبت به سایر فناوری‌ها به انرژی کمتری نیاز دارد.

بر اساس این مطالعه، این نمونه‌ی اولیه توانست ۲.۸ لیتر آب از هوا در طول یک بازه‌ی زمانی ۱۲ ساعته را به دست آورد. در این فرآیند از یک کیلوگرم MOF در شرایط آب و هوایی با درصد رطوبت ۲۰ استفاده شد.

یاگی که نتایج به‌ دست‌ آمده را یک پیشرفت بزرگ در استخراج آب از هوای کم رطوبت می‌داند، می‌گوید این فناوری درهایی را به روی تولید شخصی آب می‌گشاید. به‌موجب این فناوری خانوارهای ساکن در کشورهای فقیر می‌توانند آب موردنیاز خود را بدون طی مسافت‌های طولانی برای به دست آوردن آن تولید کنند. گفته می‌شود این روش تنها محدود به تولید آب آشامیدنی تمیز نیست. گسترش این فناوری به آبیاری زمین‌های کشاورزی نیز کمک خواهد کرد. به‌علاوه، ازآنجایی‌که این روش به‌طور مجزا از نور خورشید از استفاده می‌کند، نیازی به پنل‌های خورشیدی و باتری اضافی نخواهد داشت.

محققان اذعان کرده‌اند که امکان تغییرات اساسی در بهبود این روش قبل از تجاری‌سازی آن وجود دارد. MOF در حال حاضر توانایی جذب آب تنها به میزان ۲۰ درصد از وزن خود را داشته و قیمت یک کیلوگرم آن ۱۵۰ دلار است. استفاده از مواد مناسب می‌تواند موجب افزایش ضریب جذب آب تا ۴۰ درصد و کاهش قیمت تمام‌شده این ماده‌ی حیاتی شود. به گفته‌ی یاگی، این گروه قبلاً هم موفق به کسب نتایج امیدوارکننده با استفاده از آلومینیوم شده است. این ماده در مقایسه با زیرکونیم ۱۰۰ برابر ارزان‌تر است.

در همین حال، تیم وانگ نیز در حال توسعه‌ی دستگاهی برای جذب آب است که بتواند در طول یک ساعت و نه یک روز آب تولید کند. یاگی می‌گوید:

ما برای تولید آب در هر زمان، نیازمند طراحی دستگاهی هستیم که بتواند رطوبت را در طول شب جذب و آن را در طول روز به آب تبدیل کند؛ یا اینکه یک جمع کننده‌ی خورشیدی بسازیم که بتواند هوا را بیشتر فشرده کرده و آب بیشتری تولید کند. هدف ما از نمایش این دستگاه این بود که در صورت زندگی در صحراها نیز می‌توان با این روش به زندگی ادامه داد. یک انسان در طول روز برای حیات نیازمند حجمی از آب به‌اندازه‌ی یک قوطی نوشابه است. با استفاده از این روش، می‌توان آب موردنیاز را در کمتر از یک ساعت تهیه کرد.

ازآنجایی‌که برخی شرکت‌ها نظیر شرکت آلمانی BASF قبلاً هم از MOF در مصارف تجاری استفاده کرده است، محققان امیدوارند که این روش هرچه سریع‌تر به‌عنوان یک راه‌حل قابل‌قبول به واقعیت تبدیل شود. یاگی در پایان افزود:

ما در حال حاضر دارای تجربیات عملی و تئوری هستیم. ازاین‌رو می‌توانیم سایر MOFها را برای انتخاب بهترین ماده بررسی کنیم. پتانسیل زیادی برای افزایش حجم آب استخراجی با استفاده از این روش وجود دارد. این موضوع تنها بستگی به پیشرفت‌های مهندسی خواهد داشت.

نتایج این مطالعه در مجله ساینس منتشر شده است.