برداشت آب از مه با استفاده از شبکه توری هارپ مه

هفتاد درصد سطح زمین را آب فرا گرفته است اما تقریبا تمام این مایع، آب دریاهایی است که برای انسان قابل آشامیدن نیستند. مناطق زیادی در سطح جهان با مشکل جدی خشکسالی رو به رو هستند. کالیفرنیا در حال تجربه‌ی خشکسالی است و ساکنان شهر کیپ تاون آفریقای جنوبی در تلاش برای به تعویق انداختن روز صفر بی‌آبی هستند، روزی که شهر کاملا بی‌آب می‌شود. با افزایش رشد جمعیت و بالا رفتن دمای هوا و افزایش نگرانی‌ها، دانشمندان به‌دنبال یافتن روش‌های بهتری برای برداشت آب هستند.جاناتان بورکو مهندس موسسه‌ی پلی تکنیک ویرجینیا می‌گوید:

در سرتاسر جهان مردمی که در سواحل زندگی می‌کنند، آب را از مه برداشت می‌کنند. مه نوعی ابر بسیار نزدیک به سطح زمین نزدیک است. برداشت‌کننده‌های مه معمولا شبکه‌های توری یک متر مربعی هستند که به‌صورت عمود بر مسیر باد نصب می‌شوند. وقتی باد موجب کشیده‌شدن مه در دستگاه می‌شود، توری‌ها قطرات را به‌دام می اندازند و گرانش زمین موجب ریزش آب داخل ظروفی می‌شود که زیر توری‌ها در نظر گرفته شده‌اند. میزان متوسط جمع‌آوری آب توسط این دستگاه‌ها، حدود ۳ لیتر در روز به ازای هر متر مربع توری است.

بورکو توضیح می‌دهد که زیبایی برداشت مه این است که برای انجام آن زحمت زیادی لازم نیست. این برداشت‌کننده‌ها در مناطق دوردست قابل استفاده بوده و نیاز به نظارت مستمر ندارند؛ فقط لازم است آن‌ها را نصب کنید و در پایان روز آب را برداشت کنید. البته این دستگاه‌ها چندان هم کارآمد هم نیستند. یکی از دلایل ناکارآمدی در ساختارهای یادشده این است که باید منافذ توری‌ها دارای کیفیت مناسب باشد. اگر منافذ زیاد از حد بزرگ باشند، قطرات آب از آن‌ها فرار خواهند کرد؛ اما اگر این منافذ را بیش از حد کوچک در نظر بگیریم، به‌علت کشش سطحی آب، عبور قطرات آب از منافذ آسان نخواهد بود.

برای حل مشکلات این دستگاه ساده، بورکو طی یک همکاری با بروک کندی، طراح صنعتی ویرجینیا به‌دنبال ایجاد یک برداشت‌کننده‌ی کارآمدتر با نام هارپ‌مه رفت. مطالعه‌ی آن‌ها اخیرا در ACS Applied Materials and Interfaces منتشر شده است. کندی زمانی را در کالیفرنیای شمالی گذراند، منطقه‌ای پر از درختان چوب قرمز عظیم که تقریبا یک‌سوم مه را به دام می‌اندازند. با توجه به موقعیت طولی درختان، پژوهشگران بر آن شدند هارپ مه‌هایی بسازند که فقط دارای سیم‌های عمودی باشند.

هارپ مه

این اصلاح، یعنی حذف سیم‌های افقی، ترفند ساده‌ای به نظر می‌رسید. آزمایش‌ها با استفاده از دستگاه‌های رطوبت‌ساز نشان داد که در این حالت، منافذ توسط قطرات آب مسدود نمی‌شد و آب از سیم‌ها به سمت پایین می‌چکد. با این روش به جای جمع‌آوری سه لیتر آب در روز به ازای هر متر مربع، ۹ لیتر آب جمع‌آوری می‌شد. در مرحله‌ی بعد، گروه پژوهشی قصد دارد این آزمایش‌ها را در فضای بیرون انجام دهد و نیز با همکاری با چند تولیدکننده در پی تولید ارزان و وسیع هارپ‌مه در مقیاس بزرگ هستند. برای مناطقی که با خشکسالی مواجه هستند، آب موضوعی حیاتی است. طبق اعلام سازمان بهداشت جهانی، دسترسی به آب در نیمی از جهان تا سال ۲۰۲۵ با مشکل رو به رو خواهد شد.

هارپ‌مه یک فناوری سطح پایین است که قادر است حدود یک تا ۳ درصد مه عبورکننده را جمع‌آوری کند. در مقاله‌ای که در Science Advances منتشر شد، گروهی از پژوهشگران موسسه‌ی تکنولوژی ماساچوست با استفاده از تکنولوژی پیشرفته نوع کارآمدتری از آن را معرفی کرده است. وقتی که هوا به یک مانع برسد (مانند تورهای سیمی)، تلاش می‌کند که از اطراف آن عبور کند. حال وقتی که آن هوا حاوی قطرات آب باشد، آب نیز از اطراف می‌گریزد و این یعنی از دست رفتن مقدار زیادی آب. ماهر داماک کشف کرد که دستکاری کردن نیروهای الکتریکی اطراف مه می‌تواند این مشکل را حل کند و کار برداشت را کارآمدتر کند.

نحوه‌ی کار دستگاه‌ها بدین صورت است: شما دارای برداشت‌کننده‌ی توری مه هستید. چند سانتی‌متر آن سو تر، سطحی عمودی با همان اندازه، قرار داده می‌شود که الکترودهایی روی آن قرار می‌گیرد. این الکترودها به یک منبع انرژی متصل می‌شوند و البته انرژی بسیار کمی لازم دارند. الکترودها موجب باردار شدن قطرات و حرکت رو به جلوی آن‌ها می‌شوند. بازده این روش ۱۰۰ در صد است.

این روش موجب آغاز به کار یک استارتاپ برداشت آب به نام خنک‌کننده‌ی بی‌نهایت شد. پژوهشگران می‌خواهند در کار خود، همین ایده را بگیرند و آن را در نیروگاه‌های انرژی که یکی از بزرگترین مصرف کننده‌ی آب در کشور هستند، به کار ببرند. بیشتر آب صرف کاهش دمای سیستم‌های کارخانه‌ای می‌شود. خلیل و دامارک می‌خواهند برداشت‌کننده‌های مه را نزدیک تاسیسات خنک‌کننده قرار دهند تا آب را جمع‌آوری و دوباره استفاده کنند. در حال حاضر خلیل و دامارک در حال ساخت یک نمونه‌ی آزمایشی از دستگاه جمع‌آوری مه هستند که در پایان امسال نزدیک یک کارخانه نصب خواهند شد. دامارک می‌گوید که آن‌ها پتانسیل‌های دراز مدت زیادی دارند. از آنجا که آب مورد استفاده در برج‌های خنک‌کننده‌ی کارخانه‌ها، تصفیه شده است؛ شاید بتوان روزی از این روش برای جدا کردن نمک از آب و استفاده در جوامع نزدیک استفاده کرد.

در کالیفرنیای شمالی درختان چوب قرمز عظیمی وجود دارند که تقریبا یک سوم مه را به دام می‌اندازند

مشکل دیگر این است که مناطق خشک نیاز به آب دارند؛ اما برداشت‌کننده‌های مه بهترین عملکرد خود را در مناطق مرطوب دارند. گروهی از پژوهشگران روشی را برای جمع‌آوری آب از بیابان با استفاده از نور خورشید توسعه دادند. چند سال پیش دانشمندان درمورد ویژگی‌های منحصربهفرد ماده‌ای که چارچوب فلزی-آلی (MOF) نامیده می‌شد، گزارش‌هایی انتشار دادند. MOFها، مایعات را به سرعت جذب می‌کنند، حتی در شرایط خشکی و زمانی که نور خورشید وجود باشد هم این مایعات را آزاد می‌کنند. در سال ۲۰۱۴ این موضوع فقط در حد یک ایده بود؛ اما در یک مقاله که در Science Advances منتشر شده است، دانشمندان این دستگاه جمع‌آوری‌کننده‌ی آب را در منطقه‌ای از آریزونا که رطوبت آن ۸ درصد است، مورد آزمایش قرار دادند. این دستگاه از یک جعبه درون جعبه دیگری ساخته شده است. داخل آن چند کیلوگرم از ماده‌ی MOF قرار داده می‌شود و بیرون جعبه از پلاستیک شفاف ساخته شده است.

در طول شب، جعبه‌ی پلاستیکی باز می‌شود و دانه‌های MOF می‌توانند آب موجود در هوا را بگیرند. طی روز جعبه پلاستیکی بسته است ولی نور خورشید از پلاستیک گذشته و درون آن را گرم می‌کند و موجب می‌شود که آب از MOF خارج شود. آب متراکم‌ شده و در قسمت پایین جعبه قابل جمع‌آوری است. این دستگاه کوچک است و به ازای هر نیم کیلوگرم از MOF، چیزی حدود یک‌سوم فنجان آب جمع‌آوری می‌کند. البته MOF ها گران هستند؛ ولی پژوهشگران به‌دنبال یافتن انواع ارزان‌تری هستند تا به‌جای زیرکونیم، آلومینیوم مورد استفاده قرار دهند. آن‌ها همچنین به‌دنبال ساخت انواع فعال‌تری از این دستگاه‌ها هستند. اگر یک فن وجود داشته باشد که بتواند هوا را به سمت داخل جعبه براند، آب بیشتری جمع‌آوری خواهد شد. پژوهشگران این دستگاه را در یکی از گرم‌ترین و خشک‌ترین مناطق کالیفرنیا تست خواهند کرد.