بدست آوردن آب از اتمسفر به کشورهای در حال خشکسالی اجازه‎ی نوشیدن آب از هوا را می‎دهد

در حالیکه تغییرات اقلیمی به انتقامی ویران‌کننده‌ی الگوهای آب و هوایی زمین مشغول است، مناطق سرسبز مانند غرب آمریکا، خود را در مواجهه با خشکی فزاینده می‌بینند. شاید این اثرات در هیچ کجا آشکارتر از Cape Town، آفریقای جنوبی نباشد. از سال ۲۰۱۵، این منطقه خشکسالی شدیدی را تجربه کرده است و این پایتخت ساحلی ۴ میلیون نفری در تلاش است تا تامین آب شهری را برقرار کند.

خطر خشکسالی شدید در اوایل سال جاری، از کنار گوش شهر کیپ تاون گذشت زمانیکه شیر آب منازل حتی چکه‌ای آب نداشت ، اما انتظار میرود که شهر دوباره با کمبود بحرانی دیگری در سال ۲۰۱۸ مواجه شود. وضعیت به حدی دشوار شده است که مقامات به طور جدی در پی وارد کردن یخچال‌های طبیعی به منظور افزایش ذخایر آب، هستند. اما چرا وقتی که تکنولوژی مدرن می تواند رطوبت مورد نیاز ما را از هوا بگیرد، باید تلاش کنیم تا ۷۰،۰۰۰ تن یخ را از فاصله ۱۲۰۰ مایل قطب جنوب تا آفریقای جنوبی جابه‌جا کنیم؟

درست کردن آب آشامیدنی از جو، به روزگار اینکاها باز می گردد، که از “نرده‌های مه” شبنم جمع‌آوری می‌کردند و چرا ما نتوانیم چنین کاری را انجام دهیم. جو زمین، حاوی حدود ۱۳ تریلیون لیتر از بخار آب در هر زمان است – این معادل ۱۰ درصد از کل آب های سطحی موجود در سیاره‌ی زمین است. البته، فرایند جمع آوری شبنم صبحگاهی برای یک جامعه توسعه نیافته، در مقیاس کاملا متفاوتی نسبت به  رفع تشنگی حدود ۴ میلیون نفر که از کمبود آب در سال های آینده رنج خواهند برد، قرار می‌گیرد.

اما فقط به این دلیل که چالش دلهره‌اور است، به معنای غیرممکن بودن آن نیست. تعدادی از محققان و شرکت‌های خصوصی در حال توسعه نسل بعدی دستگاه‌های برداشت آب جوی هستند. دستگاه‌ها در حال حاضر با کاهش دمای هوا در اطراف نقطه تشکیل شبنم و سپس جمع‌آوری بخار عمل می کنند. متاسفانه، به دلیل رطوبت نسبی زیر ۵۰ درصد، بهره‌وری این دستگاه ها نیز کاهش می یابد و نیاز به مقدار نامحدودی از توان الکتریکی برای استفاده از واحد‌های سردسازی است.

با این وجود اخیرا جایگزین جدید مبتنی بر جذب نشان می‌دهد که می‌تواند رطوبت جو را برداشت کند حتی زمانی که رطوبت نسبی تا حدود ۱۰ درصد کاهش پیدا کند. در این شرایط، هر میلیون لیتر هوا برای حدود سه لیتر آب به کار می‌آید. اگر شما سعی داشتید که با استفاده از فناوری شبنم برداشت کنید، باید دمای هوا را زیر نقطه‌ی انجماد قرار بدهید، دکتر ایولین وانگ، استاد مهندسی مکانیک در MIT که به ساخت دستگاه آزمایش کمک کرد، به Engadget گفت:

از لحاظ تکنولوژیکی این کار امکان پذیر نیست زیرا شما ابتدا باید آب را از حالت انجماد خارج کنید

مزیت کاری که ما انجام می‌دهیم این است که شما در واقع می توانید سیستم را در شرایط رطوبت کم به فعالیت وادارید.

این دستگاه مفهومی که توسط یک تیم با همکاری MIT و UC Berkeley ساخته شده است از یک چارچوب فلز ارگانیک (MOFs) استفاده می کند، یک ماده که در دهه ۱۹۹۰ توسط استاد شیمی Omar Yaghi از UC Berkeley اختراع شد. شیمیدان‌ها بسته به مولکول‌های فلزی و آلی استفاده شده می توانند کنترل کنند که چه گازهایی به MOF متصل می‌شوند و ارتباطات چقدر قوی باشد.

تیم عمر یاقی بیش از ۲۰،۰۰۰ نوع MOF را در دو دهه گذشته توسعه داده است، یکی از آن‌ها متان بوده و برای استفاده در مخازن سوخت خودروهای گاز طبیعی مورد استفاده قرار گرفته است. در این مورد، تیم تحقیقاتی از نوع دیگری به نام MOF-801 – Zr6O4 (OH) 4 (fumarate) 6 استفاده کردند که قبلا خود را برای جمع آوری آب بیشتر و نوسانات کمتر دما نسبت به جاذب های معمولی مانند زئولیت یا ژل سیلیکا بهتر نشان داده است.

به جای اینکه توسط یک شبکه الکتریکی طراحی شده باشد، دستگاه MOF طراحی شده توسط تیم وانگ تنها نیاز به یک منبع گرما برای جدا کردن مولکول‌های آب از ذرات آلی MOF است. وانگ توضیح داد:

[منبع گرما] می تواند خورشید باشد، همچنین می تواند منابع دیگر باشد.

آنچه ما انتظار داریم یک سیستم تاثیر ‌پذیر است.

این دستگاه یک طراحی ساده با دو قسمت اصلی است: لایه جذب (بعنوان مثال MOF) و یک خنک کننده محصور شده هوا. پشت لایه MOF سیاه و سفید رنگ است تا به عنوان یک جذب خورشیدی هم عمل کند.

در شب، دیواره‌ی محفظه باز می شود تا جریان هوا از MOF بگذرد و با بخار اشباع شود. هنگامی که صبح می‌شود، محفظه دوباره قفل شده و سمت سیاه MOF با یک عایق حرارتی نوری شفاف (OTTI) پوشیده می‌شود. هنگامی که MOF در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد، آن را گرم می‌کند، و باعث می‌شود که مولکول‌های آلی آن‌ها مولکول‌های آب خود آزاد کنند، که برای جمع آوری در دمای محیط متراکم می شوند.

در سال گذشته، این تیم دستگاه MOF را روی سقف دانشگاه آریزونا نصب  کردند، که در آنجا رطوبت نسبی در طول روز به میزان ۱۰ درصد کاهش می‌یابد اما در شب به طور متوسط ​​۳۰ درصد افزایش می‌یابد. با استفاده از فقط ۳ گرم MOF، تیم حدود ۷۵ گرم آب را به دست آورد – اندازه کافی برای رفع تشنگی ، اما مقدار زیادی برای اعتبار بخشیدن به مدل پیش بینی تیم.

وانگ توضیح داد:

ویژگی MOF ها بسیار مهم است زیرا انواع دیگری از مواد وجود دارد که می‌توانند آب را جذب کنند اما کلید در اینجا نه فقط مقدار آبی است که شما جذب می‌کنید، بلکه میزانی است که می‌توانید از طریق منبع حرارت پایینی بدست آورید.

دستگاه MOF هنوز در مرحله ابتدایی خود است، اگرچه دکتر وانگ انتظار دارد تا یک محصول تجاری قابل قبول داشته باشد که بتواند نیازهای روزانه را برای یک خانواده‌ی چهار نفری در عرض ۳ تا ۵ سال فراهم کند. او این تکنولوژی را به عنوان منبع اصلی آب آشامیدنی در کشورهای در حال توسعه و مناطق دور افتاده‌ای که هیچ زیرساخت آبی وجود ندارد یا در محیط های شهری، معرفی می‌کند بسیار شبیه به صفحه‌های انرژی خورشیدی که در حال حاضر از آن استفاده می‌شود.

اما قبل از آنی که این مسئله اتفاق بیفتد، دکتر وانگ به چند چالش اشاره می‌کند که باید مورد توجه قرار گیرد.

MOF ها از لحاظ عملکرد واقعا قانع کننده هستند، اما در حال حاضر مقیاس‌پذیری حجم‌های بزرگ محدود است و هزینه نیز بسیار بالا است.

تیم دکتر وانگ فاصله زیادی تا جمع آوری آب از آسمان‌های بی‌ابر دارند. سازمان حفاظت از محیط زیست ایالات متحده آمریکا  اخیرا قرارداد تحقیق و توسعه‌ای را با اسرائیل امضا کرده است. فن آوری شرکت GENIUS از حدود سال ۲۰۱۴ وجود داشته و مانند سیستم تهویه مطبوع استاندارد کار می کند، به جز اینکه آب آشامیدنی تولید می کند. متاسفانه، برای تولید ۲ لیتر در ساعت، هر نیم متر از مواد سازنده‌ی آب باید در معرض هوایی با رطوبت نسبی ۶۰ درصد قرار گیرد.

به همین ترتیب، آژانس انرژی‌های تجدید پذیر استرالیا (ARENA) در اوایل این هفته به توافق رسیده تا ۱۵۰ برداشت کننده‌ی آب خورشیدی را از شرکت Zero Mass Water آریزونا خریداری کند. این دستگاه‌های ۳۰۰ پوندی بر پایه پنل خورشیدی ۳۲ فوت مربعی کار می کند که به یک فن کوچک قدرت  می‌دهد که هوای محیط را از مواد انحصاری هیدروسکوپیک این شرکت برای گرفتن آب استفاده می‌کند. سپس آب به یک مخزن ۳۰ لیتر فیلتر می‌شود. بسته به رطوبت نسبی، این ماشین‌ها می توانند بین ۴ تا ۱۰ لیتر آب را روزانه جمع آوری کنند. بر خلاف تکنولوژی Water Gen، دستگاه Zero Mass با سطوح رطوبت تا ۱۰٪ هم کار می‌کند.

بعید به نظر می رسد که تولید آب از جو راه حل سحر‌آمیز برای حل مسائل کمبود آب آشامیدنی در زمین باشد. اما در کنار سایر فن آوری‌های در حال تحول مانند نابود سازی اقیانوس، بشریت ممکن است قادر به ادامه رفع تشنگی یک جمعیت زیاد از حد  و خشک کردن سیاره باشد.