نوآوری انقلابی دانشگاه MIT در فناوری آب: دستگاه اولتراسونیک برای استخراج سریع آب از هوا

آیا احساس تشنگی می‌کنید؟ چرا از هوا آب نمی‌گیرید؟ حتی در شرایط بیابانی و خشک نیز سطحی از رطوبت وجود دارد که با استفاده از مواد مناسب، می‌توان آن را جذب و برای تولید آب آشامیدنی تمیز استخراج کرد. در سال‌های اخیر، دانشمندان میزبان طیف وسیعی از مواد اسفنجی‌شکل امیدوارکننده برای این فرآیند که «برداشت آب از جو» (Atmospheric Water Harvesting) نامیده می‌شود، بوده‌اند.

با این حال، بازیابی آب از این مواد معمولاً نیازمند گرما و صرف زمان زیادی است. طرح‌های موجود برای تبخیر آب از مواد و میعان آن به قطرات، به گرمای خورشید متکی هستند؛ اما این مرحله می‌تواند ساعت‌ها یا حتی روزها به طول انجامد. اکنون، مهندسان دانشگاه MIT راهی برای بازیابی سریع آب از مواد برداشت‌کننده آب جوی ابداع کرده‌اند. تیم تحقیقاتی به جای انتظار برای تبخیر آب توسط خورشید، از امواج اولتراسونیک (Ultrasonic Waves) برای تکان دادن و خارج کردن آب استفاده می‌کند. این خبر آب، نویدبخش تحولی بزرگ در حوزه فناوری‌های نوین است که توسط متخصصان حوزه آب در سراسر جهان و همچنین در مرکز بینش آب ایران رصد می‌شود.

بخش اول: مکانیسم عملکرد دستگاه اولتراسونیک و مزایای آن نسبت به روش‌های حرارتی

محققان دانشگاه MIT یک دستگاه اولتراسونیک توسعه داده‌اند که با فرکانس بالا ارتعاش می‌کند. زمانی که یک ماده برداشت‌کننده آب، که به عنوان «ماده جاذب» (Sorbent) شناخته می‌شود، روی این دستگاه قرار می‌گیرد، دستگاه امواج فراصوتی را ساطع می‌کند که برای تکان دادن و جدا کردن مولکول‌های آب از ماده جاذب تنظیم شده‌اند. تیم تحقیقاتی دریافت که این دستگاه آب را در عرض چند دقیقه بازیابی می‌کند، در حالی که طرح‌های حرارتی به ده‌ها دقیقه یا ساعت‌ها زمان نیاز دارند.

برخلاف طرح‌های مبتنی بر گرما، این دستگاه به یک منبع انرژی نیاز دارد. این تیم پیش‌بینی می‌کند که انرژی دستگاه می‌تواند توسط یک سلول خورشیدی کوچک تأمین شود که همچنین می‌تواند به عنوان یک حسگر برای تشخیص زمان پر شدن ماده جاذب عمل کند. همچنین می‌توان آن را برنامه‌ریزی کرد تا هر زمان که ماده رطوبت کافی برای استخراج جذب کرد، به طور خودکار روشن شود. به این ترتیب، یک سیستم می‌تواند در طول یک روز طی چرخه‌های متعدد، آب را از هوا جذب و خارج کند که این امر یک پیشرفت شگرف در فناوری آب محسوب می‌شود.

اسوتلانا بوریسکینا (Svetlana Boriskina)، دانشمند ارشد تحقیقاتی در دپارتمان مهندسی مکانیک MIT، در خصوص اهمیت این دستاورد می‌گوید:

«مردم به دنبال راه‌هایی برای برداشت آب از جو بوده‌اند که می‌تواند منبع بزرگی از آب، به‌ویژه برای مناطق بیابانی و مکان‌هایی باشد که حتی آب شور برای نمک‌زدایی (Desalination) وجود ندارد. اکنون ما راهی برای بازیابی سریع و کارآمد آب داریم.»

بوریسکینا و همکارانش گزارش دستگاه جدید خود را در مطالعه‌ای که امروز در ژورنال معتبر Nature Communications منتشر شده است، ارائه کرده‌اند. نویسنده اول این مطالعه، ایکرا افتخار شوو (Ikra Iftekhar Shuvo)، دانشجوی تحصیلات تکمیلی MIT در رشته هنرها و علوم رسانه‌ای است و کارلوس دیاز-مارین، ماروین کریستن، مایکل لربت و کریستوفر لیم نیز در این پژوهش مشارکت داشته‌اند. این نوع اخبار آب برای مناطقی که با بحران آب دست و پنجه نرم می‌کنند، بسیار حیاتی است.

بخش دوم: چالش زمان و انرژی در برداشت آب از جو

گروه بوریسکینا در MIT موادی را توسعه می‌دهند که به روش‌های نوین با محیط تعامل دارند. اخیراً، گروه او برداشت آب از جو (AWH) و راه‌هایی را بررسی کرده‌اند که مواد می‌توانند برای جذب کارآمد آب از هوا طراحی شوند. امید است که اگر این سیستم‌ها بتوانند به طور قابل اعتمادی کار کنند، سیستم‌های AWH بیشترین سود را برای جوامعی داشته باشند که منابع سنتی آب آشامیدنی و حتی آب شور در آن‌ها کمیاب است.

مانند سایر گروه‌ها، آزمایشگاه بوریسکینا عموماً فرض می‌کرد که یک سیستم AWH در میدان عملیاتی، رطوبت را در طول شب جذب می‌کند و سپس از گرمای خورشید در طول روز برای تبخیر طبیعی آب و میعان آن برای جمع‌آوری استفاده می‌کند. اما این روش محدودیت‌های جدی در مدیریت منابع آب ایجاد می‌کرد.

بوریسکینا توضیح می‌دهد:

«هر ماده‌ای که در جذب آب بسیار خوب عمل می‌کند، تمایلی به جدا شدن از آن آب ندارد. بنابراین شما باید انرژی زیاد و ساعات گران‌بهایی را صرف بیرون کشیدن آب از ماده کنید.»

او متوجه شد که پس از پیوستن ایکرا شوو به گروهش، ممکن است راه سریع‌تری برای بازیابی آب وجود داشته باشد. شوو با اولتراسونیک برای کاربردهای دستگاه‌های پزشکی پوشیدنی کار کرده بود. وقتی او و بوریسکینا ایده‌هایی برای پروژه‌های جدید را بررسی کردند، متوجه شدند که اولتراسونیک می‌تواند راهی برای سرعت بخشیدن به مرحله بازیابی در برداشت آب از جو باشد. بوریسکینا به یاد می‌آورد: «ناگهان همه چیز جفت و جور شد: ما این مشکل بزرگ را داریم که سعی در حل آن داریم و اکنون به نظر می‌رسید ایکرا ابزاری دارد که می‌تواند برای حل این مشکل استفاده شود.»

بخش سوم: رقص آب با امواج و طراحی فنی دستگاه

اولتراسونیک یا امواج فراصوت، امواج فشار صوتی هستند که با فرکانس‌های بیش از ۲۰ کیلوهرتز (۲۰,۰۰۰ چرخه در ثانیه) حرکت می‌کنند. چنین امواج با فرکانس بالایی برای انسان قابل مشاهده یا شنیدن نیستند. و همان‌طور که تیم دریافت، اولتراسونیک دقیقاً با فرکانس مناسبی ارتعاش می‌کند تا آب را از یک ماده خارج کند.

شوو و بوریسکینا یک عملگر اولتراسونیک (Ultrasonic Actuator) جدید برای بازیابی آب از یک ماده برداشت‌کننده آب جوی طراحی کردند. قلب این دستگاه یک حلقه سرامیکی تخت است که وقتی ولتاژ اعمال می‌شود، ارتعاش می‌کند. این حلقه توسط یک حلقه بیرونی احاطه شده است که با نازل‌های ریز پوشانده شده است. قطرات آبی که از یک ماده تکان داده می‌شوند، می‌توانند از طریق نازل به پایین و به ظروف جمع‌آوری متصل شده در بالا و پایین حلقه ارتعاشی بریزند.

شوو در توصیف این فرآیند زیبا می‌گوید:

«با اولتراسونیک، ما می‌توانیم دقیقاً پیوندهای ضعیف بین مولکول‌های آب و مکان‌هایی که در آن نشسته‌اند را بشکنیم. این شبیه رقصیدن آب با امواج است و این اختلال هدفمند، تکانه‌ای ایجاد می‌کند که مولکول‌های آب را آزاد می‌کند و ما می‌توانیم ببینیم که آن‌ها به صورت قطره بیرون می‌ریزند.»

آن‌ها دستگاه را روی یک ماده برداشت‌کننده آب جوی که قبلاً طراحی شده بود، آزمایش کردند. تیم با استفاده از نمونه‌هایی به اندازه یک سکه از این ماده، ابتدا هر نمونه را در یک محفظه رطوبت قرار داد که روی سطوح مختلف رطوبت تنظیم شده بود. با گذشت زمان، نمونه‌ها رطوبت را جذب کردند و اشباع شدند. محققان سپس هر نمونه را روی عملگر اولتراسونیک قرار دادند و آن را روشن کردند تا با فرکانس‌های اولتراسونیک ارتعاش کند. در تمام موارد، دستگاه توانست آب کافی را تکان دهد تا هر نمونه را تنها در چند دقیقه خشک کند. محققان محاسبه می‌کنند که در مقایسه با استفاده از گرمای خورشید، طراحی اولتراسونیک در استخراج آب از همان ماده ۴۵ برابر کارآمدتر است.

نتیجه‌گیری علمی

پژوهش اخیر محققان MIT نشان‌دهنده یک نقطه عطف در تکامل سیستم‌های برداشت آب از جو (AWH) است. جایگزینی انرژی حرارتی با انرژی مکانیکی ناشی از امواج اولتراسونیک، نه تنها چالش «زمان» را در فرآیند استخراج آب حل می‌کند، بلکه راندمان انرژی را به طور چشمگیری بهبود می‌بخشد. بوریسکینا که تصور می‌کند یک سیستم خانگی عملی ممکن است از یک ماده با جذب سریع و یک عملگر اولتراسونیک تشکیل شده باشد، می‌گوید: «زیبایی این دستگاه این است که کاملاً مکمل است و می‌تواند افزودنی برای تقریباً هر ماده جاذب باشد.» این فناوری با فراهم کردن امکان چرخه‌های متعدد جذب و دفع در یک روز، ظرفیت تولید آب روزانه را به شدت افزایش می‌دهد و گامی مؤثر در راستای امنیت آبی پایدار در مناطق خشک جهان محسوب می‌شود. این پژوهش با حمایت آزمایشگاه سیستم‌های آب و غذای عبداللطیف جمیل MIT و صندوق STEM زاکرمن MIT-اسرائیل انجام شده است.

تحلیل اختصاصی تیم Water Insight Hub – مرکز بینش آب ایران

خبر توسعه فناوری اولتراسونیک برای برداشت آب از هوا توسط MIT، فراتر از یک دستاورد آزمایشگاهی، پیامی روشن برای آینده حکمرانی آب و مدیریت منابع آب در مناطق خشک و نیمه‌خشک مانند ایران دارد. در مرکز بینش آب ایران، ما معتقدیم که گذر از راه‌حل‌های سازه‌ای بزرگ‌مقیاس (مانند انتقال آب و سدسازی) به سمت راه‌حل‌های غیرمتمرکز و مبتنی بر فناوری، کلید حل بحران آب در آینده است. این فناوری به‌ویژه برای مناطق مرکزی و کویری ایران که رطوبت نسبی هوا وجود دارد اما منابع آب سطحی و زیرزمینی رو به اتمام است، می‌تواند تغییردهنده بازی باشد.

اهمیت این نوآوری در «افزایش بهره‌وری زمانی» نهفته است. در مدل‌های سنتی برداشت آب از مه یا رطوبت، وابستگی به چرخه شبانه‌روزی خورشید یک محدودیت جدی بود. اما با ورود امواج فراصوت، مفهوم «زمان» در تولید آب بازتعریف می‌شود. این یعنی یک دستگاه واحد می‌تواند به جای یک بار در روز، ده‌ها بار چرخه تولید آب را تکرار کند. برای متخصصان حوزه آب و سیاست‌گذاران، این به معنای کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه به ازای هر لیتر آب تولیدی است. امنیت آبی در مقیاس خانگی و محلی با چنین فناوری‌هایی تقویت می‌شود و فشار بر شبکه‌های آبرسانی مرکزی کاهش می‌یابد.

از منظر دیپلماسی آب و فناوری، دستیابی و بومی‌سازی چنین دانش‌هایی باید در اولویت مراکز تحقیقاتی کشور قرار گیرد. این فناوری پتانسیل بالایی برای تلفیق با انرژی‌های تجدیدپذیر (خورشیدی) دارد که ایران در آن مزیت نسبی دارد. ترکیب پنل‌های خورشیدی با دستگاه‌های اولتراسونیک برداشت آب، دقیقاً همان مدلی است که می‌تواند تاب‌آوری جوامع روستایی و دورافتاده را در برابر تغییرات اقلیمی افزایش دهد. مرکز تحلیل آب ایران بر این باور است که رصد دقیق این اخبار آب و سرمایه‌گذاری بر روی تحقیق و توسعه در این حوزه‌ها، مسیر هوشمندانه‌تری نسبت به اصرار بر روش‌های سنتی تأمین آب است.

سؤالات متداول (FAQ)

۱. دستگاه برداشت آب اولتراسونیک MIT چگونه کار می‌کند؟

این دستگاه از امواج صوتی با فرکانس بالا (اولتراسونیک) استفاده می‌کند. هنگامی که ماده جاذب رطوبت اشباع می‌شود، این امواج باعث ایجاد ارتعاشات سریع در مولکول‌های آب شده و پیوند آن‌ها را با ماده جاذب می‌شکند. در نتیجه، آب به صورت قطرات ریز از ماده جدا و جمع‌آوری می‌شود. این فرآیند شبیه به “تکاندن” آب از درون ماده است.

۲. تفاوت اصلی این روش با روش‌های سنتی برداشت آب از هوا چیست؟

تفاوت اصلی در منبع انرژی و زمان است. روش‌های سنتی برای آزادسازی آب جذب‌شده به گرمای خورشید نیاز دارند که فرآیندی کند است و ممکن است ساعت‌ها طول بکشد. اما روش جدید MIT از انرژی مکانیکی امواج صوتی استفاده می‌کند که زمان استخراج را به چند دقیقه کاهش می‌دهد و مستقل از گرمای محیط عمل می‌کند.

۳. آیا این دستگاه نیاز به مصرف برق زیادی دارد؟

خیر. طبق گفته محققان، این دستگاه انرژی مورد نیاز خود را می‌تواند از طریق باتری‌های خورشیدی کوچک تأمین کند. همچنین دستگاه می‌تواند به گونه‌ای هوشمند طراحی شود که فقط زمانی روشن شود که ماده جاذب کاملاً اشباع شده باشد، که این امر مصرف انرژی را بهینه می‌کند.

۴. این فناوری چه تأثیری بر مدیریت منابع آب در مناطق خشک دارد؟

این فناوری پتانسیل بسیار بالایی برای مناطق خشک و بیابانی دارد که دسترسی به آب سطحی یا زیرزمینی ندارند، اما رطوبت هوا در آن‌ها وجود دارد. با توجه به سرعت بالای تولید آب (چرخه‌های متعدد در روز)، این سیستم می‌تواند به عنوان یک منبع غیرمتمرکز و پایدار برای تأمین آب شرب خانگی یا کشاورزی محدود در این مناطق عمل کند و امنیت آبی را بهبود بخشد.

۵. کارایی این سیستم نسبت به سیستم‌های حرارتی چقدر است؟

بر اساس محاسبات تیم تحقیقاتی MIT، طراحی اولتراسونیک در استخراج آب از یک ماده مشخص، ۴۵ برابر کارآمدتر از استفاده از گرمای خورشید است. این افزایش کارایی ناشی از سرعت بالا و هدفمند بودن انرژی مصرفی برای شکستن پیوندهای مولکولی آب است.

۶. آیا می‌توان این دستگاه را در خانه‌ها استفاده کرد؟

بله، چشم‌انداز محققان، توسعه سیستم‌های خانگی است که شامل یک پنل جاذب و یک عملگر اولتراسونیک (حدوداً به اندازه یک پنجره) باشد. این سیستم می‌تواند به صورت خودکار و با استفاده از انرژی خورشیدی، در طول روز چندین بار آب تولید کرده و نیازهای پایه خانوار را تأمین کند.

نویسنده و منبع خبر: جنیفر چو (Jennifer Chu) | MIT (MIT News)