اتمسفر زمین حاوی مقدار زیادی آب است، به اندازه‌ای که می‌تواند 800 بار دریاچه بزرگ نمکی یوتا را پر کند. این منبع وسیع پتانسیل دارد تا آب آشامیدنی تمیز را از هوای نازک برای میلیاردها نفر که با کمبودهای جهانی مواجه هستند استخراج کند.
فناوری‌های موجود در استخراج آب از اتمسفر (AWH) با مشکلاتی مانند اندازه، هزینه و کارایی مواجه هستند.
با این حال، پژوهشی که توسط تیمی از دانشمندان دانشگاه یوتا انجام شده است، پیشرفت‌های امیدوارکننده‌ای ارائه داده که می‌تواند این حوزه را متحول کند.
تبدیل هوای خشک به آب
این مطالعه یک دستگاه جمع و جور AWH با سوخت معرفی می‌کند که به مواد جاذب وابسته است تا مولکول‌های آب را از هوا استخراج کرده و از طریق اعمال حرارت به صورت مایع آزاد کند.
این نمونه اولیه شگفت‌انگیز که توسط نویسنده ارشد سامیر رائو و دانشجوی تحصیلات تکمیلی ناتان اورتیز توسعه یافته است، از نوع خاصی از ماده جاذب رطوبت به نام چارچوب فلز-آلی استفاده می‌کند.
رائو توضیح داد: “مواد جاذب رطوبت به طور ذاتی به آب علاقه دارند. آنها در هر جایی که باشید آب را جذب می‌کنند.” این ماده، مشابه جاذبی که در پوشک بچه استفاده می‌شود، طراحی شده است تا بخار آب را از هوا به طور انتخابی جذب کند.
بازآرایی مولکول‌ها
رائو چارچوب‌های فلز-آلی را به بلوک‌های لگو تشبیه می‌کند که می‌توانند برای ایجاد مولکول‌های ایده‌آل برای جداسازی گاز بازآرایی شوند.
او گفت: “آنها می‌توانند به طور خاص برای جذب بخار آب از هوا طراحی شوند و هیچ چیز دیگری را جذب نکنند. آنها بسیار انتخابی هستند.” نمونه اولیه از آلومینیوم فومارات استفاده می‌کند که به پانل‌هایی ساخته شده که آب را هنگام عبور هوا جمع می‌کند.
اورتیز اضافه کرد: “مولکول‌های آب خودشان روی سطوح مواد ما به دام می‌افتند و این یک فرایند برگشت‌پذیر است. مکان‌های زیادی برای گیر کردن مولکول‌های آب وجود دارد.”
فقط یک گرم از این ماده دارای سطحی به اندازه دو زمین فوتبال است که به آن امکان می‌دهد مقدار قابل توجهی آب را جذب کند. رائو گفت: “تمام این سطح در مقیاس مولکولی است.”
او افزود: “و این برای ما فوق‌العاده است زیرا ما می‌خواهیم بخار آب را روی آن سطح درون منافذ این ماده به دام بیاندازیم.”
آب از هوا برای سربازان و غیرنظامیان
این پژوهش از مرکز سرباز DEVCOM که برنامه‌ای از وزارت دفاع برای انتقال فناوری به منظور پشتیبانی از نوسازی ارتش است، تامین مالی شده است.
علاقه ارتش در این است که به سربازان یک واحد تولید آب جمع و جور بدهد تا نیاز به حمل کوله‌های بزرگ آب را کاهش دهد.
رائو توضیح داد: “ما به طور خاص این فناوری را برای کاربردهای دفاعی بررسی کردیم تا سربازان یک واحد تولید آب جمع و جور داشته باشند و نیاز به حمل کوله‌های بزرگ آب نداشته باشند.”
او افزود: “این دستگاه به معنای واقعی کلمه آب را به طور آنی تولید می‌کند.”
رائو و اورتیز برای این فناوری یک حق اختراع اولیه ثبت کرده‌اند که نیازهای غیرنظامی را نیز مد نظر دارد.
رائو گفت: “هنگام طراحی این سیستم، ما همچنین به مشکل گسترده‌تر آب فکر کردیم. این فقط یک مسئله دفاعی نیست، بلکه یک مسئله بسیار غیرنظامی است.”
مقابله با کمبودهای جهانی آب
هدف این است که به خانوارها به اندازه کافی آب آشامیدنی، حدود 15 تا 20 لیتر در روز، ارائه شود.
نمونه اولیه اثبات مفهوم موفق به تولید پنج لیتر آب در روز به ازای هر کیلوگرم ماده جاذب شده است.
اورتیز گفت: “در شرایط میدانی، این دستگاه در مدت سه روز از حمل آب عملی تر است.”
مرحله دوم دستگاه شامل بارش آب به مایع از طریق اعمال حرارت با استفاده از یک اجاق کمپینگ استاندارد ارتش است.
اورتیز توضیح داد: “هنگام جمع آوری آب، کمی حرارت آزاد می‌کند. و سپس برای معکوس کردن آن، ما حرارت اضافه می‌کنیم. ما فقط یک شعله زیر آن قرار می‌دهیم، هر چیزی برای افزایش دما. و سپس با افزایش دما، مولکول‌های آب به سرعت آزاد می‌شوند.”
راه حل پایدار هوا را به آب تبدیل می‌کند
در حالی که فناوری‌های نوظهور بسیاری برای استخراج آب از اتمسفر وجود دارد، آنها معمولاً در محیط‌های مرطوب مؤثر هستند اما در مناطق خشک عملی نیستند.
اورتیز معتقد است که دستگاه آنها می‌تواند اولین دستگاهی باشد که در شرایط خشک موفق می‌شود، عمدتاً به این دلیل که از سوخت انرژی‌دار مانند بنزین سفید استفاده می‌کند.
تیم تصمیم گرفتند از پنل‌های خورشیدی استفاده نکنند به دلیل محدودیت‌هایی که مربوط به عملکرد در طول روز و ذخیره باتری است.
اورتیز گفت: “اگر به پنل‌های خورشیدی متکی باشید، محدود به عملکرد در طول روز هستید یا نیاز به باتری دارید که این خود وزن بیشتری دارد. این فناوری در شرایط خشک برتر است، در حالی که سیستم‌های یخچالی در رطوبت بالا بهترین هستند.”
این مطالعه که در مجله Cell Reports Physical Science منتشر شده است، یک گام مهم به سوی استخراج آب از اتمسفر ارائه می‌دهد و راه حلی بالقوه برای مناطق مبتلا به کمبود مزمن آب فراهم می‌کند.
با ادامه توسعه، این فناوری می‌تواند نقش مهمی در ارائه منابع آب پایدار در زمینه‌های نظامی و غیرنظامی ایفا کند.
