آلة جديدة تحصد المياه من الهواء الرقيق في البيئات الجافة.. توفير مياه الشرب النظيفة لمليارات البشر

يحتوي الغلاف الجوي للأرض على كمية هائلة من المياه، تكفي لملء بحيرة الملح الكبرى في ولاية يوتا 800 مرة. يتمتع هذا المورد الهائل بالقدرة على استخراج مياه الشرب النظيفة من الهواء الرقيق لمليارات البشر الذين يواجهون نقصًا عالميًا.

تقنيات حصاد المياه الجوية الحالية تعوقها قضايا الحجم والتكلفة والكفاءة، ومع ذلك، قدمت الأبحاث التي أجراها فريق من العلماء في جامعة يوتا تقدماً واعداً من شأنه أن يحدث ثورة في هذا المجال.

تحويل الهواء الجاف إلى ماء

وتقدم الدراسة جهاز تسخين الماء الهوائي المدمج الذي يعمل بالوقود والذي يعتمد على مواد ماصة لسحب جزيئات الماء من الهواء وإطلاقها على شكل سائل من خلال تطبيق الحرارة.

يستخدم هذا النموذج الأولي المذهل، الذي طوره المؤلف الرئيسي سمير راو وطالب الدراسات العليا ناثان أورتيز، نوعًا محددًا من المواد الماصة للرطوبة تسمى الإطار المعدني العضوي.

“تتمتع المواد الماصة للرطوبة بجاذبية جوهرية تجاه الماء. فهي تمتص الماء أينما ذهبت”، كما أوضح راو. تم تصميم هذه المادة، المشابهة للمادة الماصة الموجودة في الحفاضات، لامتصاص بخار الماء بشكل انتقائي من الهواء.

إعادة ترتيب الجزيئات

يقارن راو الهياكل المعدنية العضوية بمكعبات ليغو، والتي يمكن إعادة ترتيبها لإنشاء جزيئات مثالية لفصل الغاز.

وقال “إنهم يستطيعون جعله مخصصًا لامتصاص بخار الماء من الهواء ولا شيء غير ذلك. إنهم انتقائيون حقًا”. يستخدم النموذج الأولي فومارات الألومنيوم، المصممة على شكل ألواح تجمع الماء أثناء سحب الهواء من خلالها.

وأضاف أورتيز قائلاً: “تلتصق جزيئات الماء نفسها بأسطح مادتنا، وهي عملية قابلة للعكس. فهناك العديد من المواقع التي قد تلتصق بها جزيئات الماء”.

يحتوي جرام واحد فقط من هذه المادة على مساحة سطحية تعادل مساحة ملعبين لكرة القدم، مما يمكنها من احتجاز كمية كبيرة من الماء. وقال راو: “كل هذه المساحة السطحية على المستوى الجزيئي”.

“وهذا رائع بالنسبة لنا لأننا نريد حبس بخار الماء على تلك المساحة السطحية داخل مسام هذه المادة.”

الماء من الهواء للجنود والمدنيين

حصل البحث على تمويل من مركز DEVCOM Soldier Center ، وهو برنامج تابع لوزارة الدفاع يهدف إلى نقل التكنولوجيا لدعم تحديث الجيش.

وتكمن مصلحة الجيش في تزويد الجنود بوحدة مدمجة لتوليد المياه، مما يقلل الحاجة إلى حمل حاويات مياه كبيرة.

“لقد نظرنا إلى هذا الأمر على وجه التحديد لتطبيقات الدفاع حتى يكون لدى الجنود وحدة صغيرة مدمجة لتوليد المياه ولا يحتاجون إلى حمل قارورة كبيرة مملوءة بالمياه”، كما أوضح راو. “سيؤدي هذا إلى إنتاج المياه حسب الطلب حرفيًا”.

وقد تقدم راو وأورتيز بطلب للحصول على براءة اختراع أولية لهذه التكنولوجيا، التي تلبي أيضًا احتياجات المدنيين.

“أثناء تصميمنا للنظام، أعتقد أننا كنا نأخذ في الاعتبار أيضًا مشكلة المياه الأوسع نطاقًا. إنها ليست مجرد قضية دفاعية، بل هي قضية مدنية إلى حد كبير”، كما قال راو.

معالجة مشكلة نقص المياه على مستوى العالم

الهدف هو توفير ما يكفي من مياه الشرب للأسر، أي ما يقرب من 15 إلى 20 لترًا يوميًا.

نجح النموذج الأولي لمفهوم إنتاج خمسة لترات من الماء يوميًا لكل كيلوغرام من المواد الماصة.

وفي ظل الظروف الميدانية، من شأن هذا الجهاز أن يتفوق على عملية تعبئة المياه في غضون ثلاثة أيام، وفقاً لأورتيز.

وتتضمن الخطوة الثانية للجهاز ترسيب الماء إلى سائل من خلال تطبيق الحرارة ، باستخدام موقد تخييم عسكري قياسي.

“ومع تجميع الماء، يطلق قدرًا ضئيلًا من الحرارة. ثم لعكس ذلك، نضيف الحرارة. نضع شعلة أسفلها مباشرة، أي شيء لرفع درجة الحرارة. ثم مع زيادة درجة الحرارة، نطلق بسرعة جزيئات الماء”، كما أوضح أورتيز.

حل مستدام يحول الهواء إلى ماء

في حين أن هناك العديد من التقنيات الناشئة لحصاد المياه الجوية، إلا أنها عادة ما تكون فعالة في البيئات الرطبة ولكنها غير عملية في المناطق القاحلة .

ويعتقد أورتيز أن جهازهم يمكن أن يكون أول جهاز ينجح في الظروف القاحلة، وذلك في المقام الأول لأنه يستخدم وقودًا كثيف الطاقة مثل البنزين الأبيض.

قرر الفريق عدم استخدام الألواح الشمسية بسبب القيود المتعلقة بالتشغيل أثناء النهار وتخزين البطارية.

“إذا كنت تعتمد على الألواح الشمسية، فإنك تقتصر على التشغيل أثناء النهار أو تحتاج إلى بطاريات، وهو ما يعني زيادة الوزن. هذه التكنولوجيا متفوقة في الظروف القاحلة، في حين أن التبريد يكون أفضل في الرطوبة العالية”، كما قال أورتيز.

وتمثل الدراسة، التي نشرت في مجلة Cell Reports Physical Science ، خطوة مهمة نحو حصاد المياه الجوية بشكل عملي، مما يوفر حلاً محتملاً للمناطق التي تواجه نقصًا مزمنًا في المياه .

ومع استمرار التطوير، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تلعب دوراً حاسماً في توفير مصادر مياه مستدامة في السياقات العسكرية والمدنية على حد سواء.