مكافحة تآكل السواحل بالكهرباء.. تيار كهربائي خفيف يغير بنية الرمال البحرية ويحولها إلى مادة صلبة

أثبت بحث جديد من جامعة نورث وسترن بشكل منهجي أن موجة خفيفة من الكهرباء يمكن أن تعزز قوة الساحل البحري لأجيال – مما يقلل بشكل كبير من خطر التآكل في مواجهة تغير المناخ وارتفاع مستويات سطح البحر.

وفي الدراسة الجديدة، استلهم الباحثون الفكرة من المحار وبلح البحر وغيرها من الكائنات البحرية التي تعيش في الأصداف، والتي تستخدم المعادن المذابة في مياه البحر لبناء أصدافها.

وعلى نحو مماثل، استخدم الباحثون نفس المعادن المذابة الطبيعية لتشكيل مادة لاصقة طبيعية بين حبيبات الرمل المبللة بمياه البحر، ولكن بدلاً من استخدام الطاقة الأيضية كما تفعل الرخويات، استخدم الباحثون الطاقة الكهربائية لتحفيز التفاعل الكيميائي.

وفي التجارب المعملية، نجح تيار كهربائي خفيف في تغيير بنية الرمال البحرية على الفور، وتحويلها إلى مادة صلبة تشبه الصخور لا تتحرك، ويأمل الباحثون أن تقدم هذه الاستراتيجية حلاً مستدامًا وغير مكلف لتعزيز السواحل العالمية.

وتظهر الدراسة، التي تحمل عنوان “الترسيب الكهربائي للأسمنت الجيري من مياه البحر في رمال السيليكا البحرية”، في مجلة Communications Earth & Environment .

وقال أليساندرو روتا لوريا من جامعة نورث وسترن والذي قاد الدراسة ” يعيش أكثر من 40% من سكان العالم في المناطق الساحلية ، وبسبب تغير المناخ وارتفاع مستوى سطح البحر ، فإن التآكل يشكل تهديدًا هائلاً لهذه المجتمعات. ومن خلال تفكك البنية الأساسية وفقدان الأراضي، يتسبب التآكل في أضرار تقدر بمليارات الدولارات سنويًا في جميع أنحاء العالم. وتتضمن الأساليب الحالية للتخفيف من التآكل بناء هياكل حماية أو حقن مواد رابطة خارجية في باطن الأرض.

“كان هدفي هو تطوير نهج قادر على تغيير الوضع الراهن في مجال حماية السواحل ـ نهج لا يتطلب بناء هياكل حماية ويمكنه تثبيت الأسطح البحرية بالأسمنت دون استخدام الأسمنت الفعلي. ومن خلال تطبيق تحفيز كهربائي خفيف على التربة البحرية، أثبتنا بشكل منهجي وميكانيكي أنه من الممكن تثبيتها بالأسمنت عن طريق تحويل المعادن المذابة بشكل طبيعي في مياه البحر إلى مواد رابطة معدنية صلبة ـ أسمنت طبيعي”.

روتا لوريا هي أستاذة مساعدة في الهندسة المدنية والبيئية في كلية ماكورميك للهندسة في نورث وسترن. أندوني لانديفار ماسياس، المرشح السابق لنيل درجة الدكتوراه في مختبر روتا لوريا، هو المؤلف الأول للدراسة. كما شارك في تأليف الدراسة ستيفن جاكوبسن، عالم المعادن وأستاذ علوم الأرض والكواكب في كلية وينبرج للفنون والعلوم في نورث وسترن.

الجدران البحرية تتآكل أيضا

من تكثيف العواصف الممطرة إلى ارتفاع مستويات سطح البحر، خلق تغير المناخ ظروفًا تؤدي تدريجيًا إلى تآكل السواحل. ووفقًا لدراسة أجراها مركز الأبحاث المشترك التابع للمفوضية الأوروبية في عام 2020، فإن ما يقرب من 26٪ من شواطئ العالم سوف تغمرها المياه بحلول نهاية هذا القرن.

وللتخفيف من حدة هذه المشكلة، طبقت المجتمعات المحلية نهجين رئيسيين: بناء هياكل وحواجز للحماية، مثل الجدران البحرية، أو حقن الأسمنت في الأرض لتعزيز الركائز البحرية، التي تتكون في أغلبها من الرمال. ولكن هذه الاستراتيجيات تصاحبها مشاكل متعددة. فهذه الأساليب التقليدية ليست باهظة التكلفة فحسب، بل إنها لا تدوم طويلا.

“تعاني جدران البحر أيضًا من التآكل”، كما يقول روتا لوريا. “وبمرور الوقت، يتآكل الرمل الموجود أسفل هذه الجدران، وقد تنهار الجدران في النهاية. وفي كثير من الأحيان، تتكون هياكل الحماية من أحجار كبيرة، والتي تكلف ملايين الدولارات لكل ميل. ومع ذلك، يمكن للرمال الموجودة تحتها أن تتحول إلى سائل بسبب عدد من العوامل البيئية المسببة للإجهاد، وتبتلع الأرض تحتها هذه الصخور الكبيرة.

“إن حقن الأسمنت وغيره من المواد الرابطة في الأرض له عدد من العيوب البيئية التي لا يمكن إصلاحها. كما يتطلب عادة ضغوطًا عالية وكميات كبيرة مترابطة من الطاقة.”

تحويل الأيونات إلى غراء

ولتجاوز هذه المشكلات، طور روتا لوريا وفريقه تقنية أبسط، مستوحاة من المرجان والرخويات. تحتوي مياه البحر بشكل طبيعي على عدد لا يحصى من الأيونات والمعادن المذابة.

وعندما يتم تطبيق تيار كهربائي خفيف (2 إلى 3 فولت) على الماء، فإنه يؤدي إلى تفاعلات كيميائية.

وهذا يحول بعض هذه المكونات إلى كربونات الكالسيوم الصلبة – نفس المعدن الذي تستخدمه الرخويات لبناء أصدافها. وبالمثل، باستخدام جهد أعلى قليلاً (4 فولت)، يمكن تحويل هذه المكونات بشكل أساسي إلى هيدروكسيد المغنيسيوم والهيدرومغنيسيت، وهو معدن موجود في كل مكان في الأحجار المختلفة.

وعندما تتحد هذه المعادن في وجود الرمال، فإنها تعمل مثل الغراء، فتربط جزيئات الرمال ببعضها البعض. وفي المختبر، نجحت هذه العملية أيضًا مع جميع أنواع الرمال ــ من الرمال السيليكاية والجيرية الشائعة إلى الرمال الحديدية، التي توجد غالبًا بالقرب من البراكين.

“بعد المعالجة، تبدو الرمال وكأنها صخرة”، كما يقول روتا لوريا. “إنها ثابتة وصلبة، بدلاً من أن تكون حبيبية وغير متماسكة. المعادن نفسها أقوى بكثير من الخرسانة، لذا فإن الرمال الناتجة يمكن أن تصبح قوية وصلبة مثل جدار البحر”.

وبينما تتشكل المعادن على الفور بعد تطبيق التيار الكهربائي، فإن التحفيز الكهربائي الأطول يحقق نتائج أكثر أهمية. وقال روتا لوريا: “لقد لاحظنا نتائج ملحوظة من بضعة أيام فقط من التحفيز”. “بعد ذلك، يجب أن يبقى الرمل المعالج في مكانه، دون الحاجة إلى تدخلات أخرى”.

صديق للبيئة وقابل للعكس

وتتوقع روتا لوريا أن يحتفظ الرمل المعالج بمتانته، مما سيحمي السواحل والممتلكات لعقود من الزمن.

وتقول روتا لوريا أيضًا إنه لا داعي للقلق بشأن التأثيرات السلبية على الحياة البحرية. فالجهد الكهربائي المستخدم في هذه العملية خفيف للغاية بحيث لا يمكن الشعور به. وقد استخدم باحثون آخرون عمليات مماثلة لتقوية الهياكل تحت سطح البحر أو حتى استعادة الشعاب المرجانية. وفي هذه السيناريوهات، لم يلحق أي ضرر بأي كائنات بحرية.

إذا قررت المجتمعات المحلية أنها لم تعد تريد الرمال المتجمدة، فإن روتا لوريا لديها حل لذلك أيضًا، حيث أن العملية قابلة للعكس تمامًا. عندما يتم تبديل أقطاب الأنود والكاثود للبطارية، فإن الكهرباء تذيب المعادن – مما يؤدي فعليًا إلى إبطال العملية.

“تتشكل المعادن لأننا نرفع محليًا درجة حموضة مياه البحر حول الواجهات الكاثودية”، كما يقول روتا لوريا. “إذا قمت بتبديل الأنود بالكاثود، فإن ذلك يعني حدوث انخفاض موضعي في درجة الحموضة، وهو ما يؤدي إلى إذابة المعادن المترسبة سابقًا”.