محاولات علمية متقدمة لجمع المياه من الهواء ومعالجة أزمة نقص المياه العالمية

في فيلم Star Wars ، نشأ Luke Skywalker على كوكب Tatooine الصحراوي الحا، تمتلك عائلته مزرعة رطوبة تستخدم أجهزة تسمى “المبخرات” لسحب مياه الشرب من الهواء.

ولكن في حين أن أجهزة التبخير هي من نسج الخيال العلمي، فإن التكنولوجيا التي تجعلها تعمل قد تقترب من الحقيقة، لمعالجة مشكلة كبيرة مثل ندرة المياه على مستوى الدولة أو ندرة المياه العالمية.

يطور باحثون بجامعة تكساس  تقنية يمكنها سحب الماء من الهواء، وتم مؤخرًا نشر ورقة بحثية في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences تعرض طريقة أكثر فاعلية لحصاد المياه مستوحاة من نبات آكل اللحوم.

قال داي، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية في جامعة تكساس، “نحاول الحصول على المياه في كل مكان وفي أي وقت وفي أي مكان. هذا هو هدفنا”.

معالجة نقص المياه

في أغسطس، واجه 62 ٪ من ولاية تكساس موجة جفاف شديدة ، وفقًا لمراقب الجفاف في الولايات المتحدة، وهي شراكة بين المركز الوطني للتخفيف من آثار الجفاف ، ووزارة الزراعة الأمريكية ، والإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي.

درجات الحرارة ثلاثية الأرقام مثل تلك التي شهدتها مدينة دالاس هذا الصيف يمكن أن تجعل موجات الحر والجفاف أسوأ ، مما يؤدي إلى نقص المياه .

تهتم Dai بالتوزيع اللامركزي للمياه: تزويد الناس بالمياه التي يحتاجون إليها دون استخدام محطات معالجة المياه والخزانات التي تنظمها المدينة. كان يدرس حصاد المياه على مدى السنوات العشر الماضية ، على أمل تحسين الوصول إلى المياه النظيفة من خلال تسخير عملية طبيعية تسمى التكثيف.

أمام التكنولوجيا طريق طويل قبل أن تصبح جاهزة للاستخدام البشري، لكن الباحثين يأملون أن يصنعوا يومًا ما جهازًا محمولًا يمكن للناس استخدامه للوصول إلى المياه النظيفة أثناء النقص.

عندما تأخذ كوبًا من الماء البارد في الخارج في يوم حار ، يمكن أن تتشكل قطرات صغيرة من الماء على حافة الكوب، يُسحب بخار الماء الدافئ الموجود في الهواء إلى الزجاج البارد ويبرد أو يتكثف في تلك القطرات.

يهدف داي ومختبره إلى حصاد المياه باستخدام نهج مماثل، إذا تمكنوا من الحفاظ على السطح باردًا، وسحب بخار الماء الدافئ إليه، فيمكنهم تكثيف الماء في قطرات وجمعه.

الطبيعة كمصدر إلهام

تتمثل إحدى المشكلات التي تؤدي إلى إبطاء تقنية حصاد المياه الحالية في أنه بمجرد تشكل قطرات الماء على السطح، فلا مكان لها تذهب إليه.

تتراكم على السطح، مما يؤدي إلى إبطاء تكوين قطرات جديدة، ابتكر داي ومختبره حلاً جديدًا لهذه المشكلة يجمع قطرات الماء بشكل مشابه للطريقة التي يلتهم بها نبات الإبريق اللاحم الحشرات.

يغري نبات الإبريق على شكل مزهرية فريسته بإفراز الرحيق الحلو، عندما تهبط حشرة على الحافة العلوية الزلقة للنبات، فإنها تسقط في “المزهرية” حيث يتم هضمها.

وضع داي ومختبره “مصيدة” مماثلة لقطرات الماء المتكونة بالفعل عن طريق إنشاء عدة قنوات على شكل حرف T – أصغر من قطر شعرة الإنسان – في نظام حصاد المياه الذي قاموا باختباره ، وهو مستطيل عرضه حوالي 2 سم مصنوع من السيليكون.

أثناء جمع المياه، تتشكل قطرات الماء على الجزء العلوي من T ، وهو مغطى بمادة تشحيم زلقة. بعد ذلك ، تنزلق القطرات من على حرف T إلى القنوات حيث يتم تجميعها.

قال ديلان بويلان ، الحاصل على درجة الدكتوراه في السنة الثانية: “إذا تمكنت من إزالة القطرة من السطح ، فسيكون لديك مساحة أكبر للتكثف مرة أخرى”. طالب في مختبر داي.

أدت تقنية المعمل لجمع المياه إلى زيادة معدل حصاد المياه مقارنة بالنموذج الذي لا يحتوي على قنوات على شكل حرف T. وفقًا لبويلان ، يمكن أن يملأ سطح التجميع الخاص بهم كوبًا من الماء في حوالي سبع دقائق في ظروف رطبة.

على نطاق واسع

لم يتم استكشاف استخدام Dai للقنوات لجعل حصاد المياه أكثر كفاءة في الأبحاث الحالية. هناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به قبل أن تصبح تقنيته متاحة للشراء.

يعتمد نظام حصاد المياه في داي على الحفاظ على سطحه باردًا لسحب بخار الماء الدافئ للتكثيف. هذا يتطلب طاقة – خاصة لإنتاج كمية كافية من الماء للحفاظ على رطوبة الأسرة أثناء النقص. تعتمد التقنية أيضًا على وجود بخار في الهواء لإنتاج الماء منه ، مما يعني أنه قد يكون من الصعب العمل في المناخات الأكثر حرارة وجفافًا.

قال سمير راو ، الأستاذ المساعد في جامعة يوتا، والذي تشمل اهتماماته البحثية جمع المياه وتنقيتها، إن أبحاث داي تمثل تقدمًا مثيرًا في هذا المجال، مصيفا أن البحث في المستقبل سيكون ضروريًا لمعرفة ما إذا كان يمكن توسيع نطاق هذه التكنولوجيا لمعالجة مشكلة كبيرة مثل ندرة المياه على مستوى الدولة أو ندرة المياه العالمية.

قال راو، الذي لم يشارك في دراسة داي: “إنه أمر واعد”، “لكني أعتقد أن الرد على أسئلة حول،” هل هذا واعد عندما تجعل مليون من هؤلاء؟” شيء يستحق الاستكشاف”.

الآن بعد أن أصبح معمل داي يحتوي على أساسيات التكنولوجيا، يعمل فريقه على اكتشاف كيف يمكنهم تجميعها في شيء قابل للتطوير وبأسعار معقولة.

يرى داي أيضًا تطبيقات لعمله في أنظمة مثل تكييف الهواء، حيث يمكن أن يساعد استخراج البخار من الهواء في التحكم في رطوبة الغرفة، وأضاف، أن أحد أجزائه المفضلة في استكشاف حصاد المياه، هو تسخير أسرار الطبيعة لتحسين حياة الإنسان.

شهدت الطبيعة حصادًا للمياه لبعض الوقت: خنفساء صحراء ناميب، موطنها جنوب غرب إفريقيا، تظل رطبة عن طريق تكثيف قطرات الماء على ظهرها التي تتساقط في فمها.

يأمل داي وبويلان أن يستفيد البشر يومًا ما من هذه العملية. قال بويلان: “إذا استطعنا أن نرى أن الطبيعة يمكن أن تفعل ذلك ، فيمكننا أن نأخذ هذه الفكرة ويمكننا أن نجعلها حقيقة لأنفسنا”.