8 دقیقه
تصور کنید بتوانید در عرض چند دقیقه آب آشامیدنی را از هوای خشک و بیآب یک بیابان بیرون بکشید، نه در چند ساعت. محققان دانشگاه MIT سیستمی اولتراسونیک معرفی کردهاند که دقیقاً همین کار را انجام میدهد — برداشت رطوبت از جو در زمانی بسیار کوتاهتر و با مصرف انرژی کمتری نسبت به روشهای رایج مبتنی بر انرژی خورشیدی.
نحوه عملکرد برداشتکننده آب اولتراسونیک
روشهای متداول برداشت آب از هوا (Atmospheric Water Harvesting یا AWH) معمولاً بر مواد جاذب رطوبت شبیه اسفنج متکیاند که بخار آب را بهصورت فیزیکی یا شیمیایی جذب میکنند. برای آزادسازی این آب جذبشده، این سامانهها معمولاً نیاز به گرمکردن ماده جاذب برای چندین ساعت زیر نور خورشید یا با گرمایش مستقیم دارند تا رطوبت تبخیر شده و سپس میعان یابد — فرایندی که شدیداً زمانبر و پرمصرف است و در شرایط کمنم با بازده کمتری عمل میکند.
گروه MIT رویکردی متفاوت اتخاذ کرده است. آنها دستگاهی طراحی کردند که حول یک صفحه سرامیکی پیزوالکتریک ساخته شده است؛ این صفحه هنگام اعمال ولتاژ با فرکانسهای اولتراسونیک مرتعش میشود. این نوسانات با فرکانس بالا بهصورت مکانیکی پیوندهای ضعیف بین مولکولهای آب و سطح ماده جاذب را میشکنند و قطرات میکرونی را مستقیماً از درون ماده جاذب بیرون میرانند، بهجای اینکه آب را با گرمکردن کامل ماده تبخیر کنند. این نحوه آزادسازی قطرات باعث میشود که حجم قابل توجهی از آب بدون نیاز به دمای بالا و تبخیر کامل ماده جمعآوری شود.
برتری عملکرد: سرعت و کارایی
نمونه آزمایشی اولیه مزیت چشمگیری نشان داد: تقریباً 45 برابر بازدهی بیشتر در مقایسه با روشهای سنتی آزادسازی تبخیری. دو عامل اصلی این افزایش را توضیح میدهند. نخست اینکه آزادسازی با اولتراسونیک ماده جاذب را در عرض چند دقیقه خشک میکند، نه چند ساعت، و بدین ترتیب زمانهای طولانی انتظار برای گرمشدن در معرض خورشید را حذف میکند. دوم اینکه امواج اولتراسونیک تنها روی رابطی که آب را در سطح یا داخل ماده جاذب نگهمیدارد اثر میگذارند و نیازی به گرمکردن کل جرم ماده برای القای تبخیر وجود ندارد؛ بنابراین انرژی مصرفی بهطور چشمگیری کاهش مییابد.
بهزبان فنیتر، فرآیند اولتراسونیک با اعمال نیروی مکانیکی موضعی و ایجاد آشفتگی میکروسکوپی در لایه مرزی بین مولکولهای آب و سطح جاذب، لختهها یا خوشههای مولکولی را از هم باز میکند. این امر منجر به تشکیل قطرات ریز (میکرونمقیاس) میشود که بهسادگی از سطح جدا شده و پس از عبور از مسیر جمعآوری، قابل ذخیرهسازی و تصفیه اندک برای مصرف آشامیدنی هستند. بهعلاوه، کاهش نیاز به دماهای بالا باعث میشود که مواد جاذب حساستر یا دارای ساختارهای میکروسکوپی آسیب نبینند و طول عمر سامانه افزایش یابد.
چرا بیابان اهمیت دارد
بسیاری از سیستمهای AWH در مناطق خشک عملکرد ضعیفی دارند، زیرا رطوبت نسبی پایین جمعآوری غیرفعال را کاهش میدهد. با این وجود دستگاه MIT قادر است حتی در شرایط نسبتاً خشک نیز رطوبت را جذب کرده و استخراج کند، که رسیدن فناوریهای برداشت آب از هوا به مناطق بیابانی و مناطق در معرض خشکسالی را ممکن میسازد. از منظر عملیاتی، این به معنای توانایی تولید آب در مناطقی است که منابع سطحی یا زیرسطحی آب محدود یا غیرفعالاند.
علاوه بر این، در بسیاری از بیابانها اختلاف دمای روز و شب و وجود مه صبحگاهی یا شبانه میتواند منبع اضافی رطوبت باشد؛ سیستمهای مبتنی بر مواد جاذب پیشرفته (از جمله برخی چارچوبهای آلی-فلزی یا زئولیتها و ژلهای سیلیکا) در جذب همین رطوبتهای اندک مؤثرند، و با افزودن مکانیزم آزادسازی اولتراسونیک، میتوان از این رطوبت اندک بیشترین بهره را برد. در نتیجه، دامنه عملیاتی فناوری افزایش یابد و امکان توسعه ایستگاههای محلی تولید آب مستقل از شبکه و دسترسی به آب آشامیدنی در نواحی محروم فراهم شود.
طراحی عملی و گامهای بعدی
محققان یک طرح کاربردی را در نظر دارند که شامل واحدهای فشردهای میشود که یک پنل خورشیدی کوچک، حسگر رطوبت و محرک اولتراسونیک را با هم ترکیب میکنند. عملکرد پیشنهادی به این صورت است که حسگر وضعیت اشباع ماده جاذب را تشخیص داده، محرک پیزوالکتریک را فعال میکند و قطرات آزادشده را جمعآوری میکند. این چرخه میتواند چندین بار در روز تکرار شود تا عملکرد روزانه برداشت آب افزایش یابد و در صورت طراحی هوشمند برای مدیریت انرژی و زمانبندی، کارایی کلی افزایش قابلتوجهی بیابد.
در نسخه میدانی، واحدهای مستقل میتوانند شامل یک مخزن ذخیره ساده، فیلتر پیشتصویه ابتدایی و مدارهای الکترونیکی کممصرف برای کنترل و ثبت دادهها باشند. علاوه بر این، الگوریتمهای کنترلی که بر اساس پیشبینی وضعیت هوا، اولویتبندی چرخههای جذب/آزادسازی و مدیریت توان باتری یا پنل خورشیدی عمل میکنند، میتوانند بهرهوری آب تولیدی را بهینه کنند. دانشمندان همچنین بر بهینهسازی مواد جاذب تأکید دارند: انتخاب یا توسعه جاذبهایی با ظرفیت بالای جذب در رطوبت پایین، سرعت بازگشت سریع به شرایط اولیه بین چرخهها، و سازگاری مکانیکی با ارتعاشات اولتراسونیک از عوامل کلیدی برای مقیاسپذیری است.
مطالعهای که در نشریه Nature Communications منتشر شده است، نتایج آزمایشگاهی و تحلیلهای انرژی را تشریح میکند. اگرچه نمونه آزمایشی فعلی یک اثبات مفهوم است، مسیر تبدیل آن به یک دستگاه آماده میدانی روشن بهنظر میرسد: بهبود مواد جاذب، مقیاسبندی محرک اولتراسونیک، و یکپارچهسازی الکترونیک ارزانقیمت برای عملکرد خودکار. تحلیلهای انرژی نشان میدهد که در شرایط بهینه، مصرف انرژی برای آزادسازی آب از جنس اولتراسونیک بهطور قابل توجهی کمتر از گرمایش کلی ماده است، و اگر از منابع خورشیدی مستقیم یا انرژی کممصرف باتری استفاده شود، سامانه میتواند در حالت آفلاین و در مناطق دورافتاده نیز عمل کند.
برای آمادهسازی میدانی لازم است که آزمونهای طولانیمدت در شرایط واقعی آب و هوایی — شامل نوسانات دما، گرد و غبار، و فرسودگی مکانیکی — انجام شود. همچنین مطالعات چرخه عمر و تحلیل هزینه-فایده (LCA و CBA) برای ارزیابی اقتصادی بودن راهحل در مقیاسهای کوچک محلی تا مراکز توزیع آب ضروری خواهد بود. در نهایت، استانداردسازی فرایندهای تولید و توسعه زنجیره تأمین برای مواد جاذب و اجزای پیزوالکتریک به کاهش هزینهها و تسریع استقرار کمک خواهد کرد.
پیامدها و چشمانداز
این تکنیک میتواند شیوه دسترسی جوامع دورافتاده به آب آشامیدنی را تغییر دهد و سیستمهای موجود مانند تصفیه آب لبشور یا جمعآوری آب باران را تکمیل کند. تصور کنید ایستگاههای مستقل خارج از شبکه که پس از خشکسالی برای تأمین آب اضطراری بهکار میآیند یا واحدهای قابلحمل برای کمکهای انساندوستانه در بحرانها. با بهبود مواد، کاهش هزینههای تولید و یکپارچهسازی هوشمند توان، برداشت آب از هوا با فناوری اولتراسونیک ممکن است به یک راهکار عملی، کممصرف و مقیاسپذیر برای مقابله با کمآبی تبدیل شود.
از منظر علمی و صنعتی، این رویکرد یک نقطه تمایز مهم نسبت به فناوریهای مبتنی بر تبخیر-میعان فراهم میآورد؛ زیرا از لحاظ ترمودینامیکی کارایی بهتری در شرایط کمنم نشان میدهد و امکان استفاده از مواد نوین با ساختارهای میکرو یا نانوساختاری را میسر میسازد. در بلندمدت، ترکیب این تکنولوژی با اینترنت اشیاء (IoT) و شبکههای انرژی خورشیدی محلی میتواند به ساخت «خوشههای آب» منجر شود که در آن چندین واحد محلی بهطور هماهنگ برای تأمین آب یک مجتمع یا یک روستا کار میکنند. با سرمایهگذاری پژوهشی و صنعتی مناسب، فناوری برداشت آب اولتراسونیک میتواند نقش مهمی در راهبردهای سازگاری با تغییرات اقلیمی و تأمین منابع پایدار آب ایفا کند.
نکته نهایی اینکه هرچند مزایا قابلتوجهاند، اما چالشهایی نیز وجود دارند: دوام ماده جاذب در میدان، مقاومت در برابر آلودگی غبار و ذرات معلق، هزینه تولید پیزوالکتریک در مقیاس بالا و نیاز به نگهداری دورهای. پرداختن به این چالشها از طریق پژوهشهای بینرشتهای در حوزه مواد، الکترونیک قدرت، طراحی مکانیکی و مهندسی سیستمهای انرژی، گامی اساسی برای رساندن این فناوری از آزمایشگاه به میدان خواهد بود.
منبع: smarti
نظرات
امین_
خوبه ولی یه کم اغراق داره، 45 برابر بازدهی بدون تست طولانیمدت میتونه لوکس باشه؛ LCA و هزینه تولید و تعمیرات باید شفاف بشه.
آبزون
من خودم با ژل سیلیکا کار کردهم، اگر ارتعاش ریز ساختار رو نخوابونه، پتانسیل داره. ولی scale-up و قیمت ساخت مهمه، سختی داره.
رضا
واقعاً تو میدان جواب میده؟ تو آزمایشگاه همیشه اوکیه ولی تو بیابون با گرد و خاک و نوسان دما، پیزوها و مواد جذب چطور مقاومت میکنن...
لابکور
منطقیشه، مصرف انرژی کمتر جذابه. اما اینکه فیلترها و جمعآوری قطرات تو شرایط واقعی چطور کار میکنه سوالیه، باید ببینن.
رودکس
وااای، ایده جالبیه! اینکه تو بیابون تو چند دقیقه آب بداد، هیجانانگیزه، فقط نگرانم هزینه و دوامش وسط گرد و غبار چی بشه...
ارسال نظر