اختراع اسفنجی که آب دریا را شیرین می‌کند

آنا: در دنیای امروز، دسترسی به آب شیرین برای میلیون‌ها نفر در سراسر جهان با چالش همراه است. طبق گزارش سازمان ملل، بیش از ۲ میلیارد نفر به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند و تخمین زده می‌شود تا سال ۲۰۵۰، بیش از نیمی از جمعیت جهان در مناطقی زندگی کنند که با  تنش آبی مواجه‌اند.

افزایش جمعیت، تغییرات اقلیمی، آلودگی منابع آب شیرین، و بهره‌برداری بی‌رویه از منابع طبیعی، شرایطی ایجاد کرده‌ است که تقاضا برای راه‌حل‌های کم‌هزینه، قابل‌دسترس و سازگار با محیط زیست به شدت رو به افزایش است. در این میان، استفاده مستقیم از آب دریاها و اقیانوس‌ها  از جذاب‌ترین گزینه‌ها برای به‌شمار می‌رود؛ چرا که طبق اعلام ادارهٔ ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده آمریکا (NOAA ) حدود ۹۷ درصد از آب‌های کره زمین در اقیانوس‌ها یافت می‌شود.

دستگاه‌های آب شیرین کن می‌توانند آب دریا را به آبی قابل آشامیدن تبدیل کنند؛ اما اغلب به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارند. در کارخانه‌های بزرگ، از روش‌های مختلفی برای شیرین کردن آب استفاده می‌شود که یکی از متداول‌ترین آن‌ها روش اسمز معکوس (RO) است. این روش به پمپ‌های فشار قوی، فیلترهای حساس و مصرف بالای انرژی الکتریکی نیاز دارد و چنانچه این انرژی از سوخت‌های فسیلی تأمین شود، به افزایش آلودگی کربنی منجر می‌شود.

اما در پژوهشی که در ژورنال انجمن شیمی آمریکا (ACS Energy Letters) منتشر شده است، تیمی از پژوهشگران به رهبری «شی شن» موفق به ساخت ماده‌ای اسفنج‌مانند (نوعی ایروژل) با حفره‌های میکروسکپی بلند هوا شدند که از نور خورشید و یک پوشش پلاستیکی ساده برای تبدیل آب شور به آب شیرین استفاده می‌کند.  

از هیدروژل تا ایروژل: مسیر تکامل فناوری شیرین‌سازی خورشیدی

پیش از این نیز دانشمندان مواد اسفنجی ساخته بودند که با کمک نور خورشید آب را شیرین می‌کرد. به عنوان مثال هیدروژلی الهام گرفته از گیاه لیف (Luffa ) ساخته بودند که درون منافذ آن پلیمرهایی قرار داشت. این ماده هنگام گرم شدن با نور خورشید، بخار آب پاکیزه‌ای تولید می‌کرد که قابل جمع‌آوری و تبدیل شدن به آب آشامیدنی بود.

هیدروژل‌ها و ایروژل‌ها هر دو موادی هستند با ساختار متخلخل و اسفنج مانند که قابلیت عبور و نگهداری آب را دارند؛ اما در حالی که هیدروژل‌ها (آبژل‌ها) نرم و پر از مایع هستند، ایروژل‌ها (هواژل‌ها) برخلاف آن‌ها سخت‌تر و منافذ جامدی  دارند که می‌توانند آب مایع یا بخار را از خود عبور دهد.

ایرژول‌ها نیز پیش‌تر برای شیرین سازی آب آزمایش شده بودند؛ اما مشکل آن‌ها این بود که با افزایش اندازه، راندمان تبخیرشان کاهش می‌یافت. به همین علت پژوهشگران در این مطالعه تلاش کردند ایروژلی متخلخل طراحی کنند که کارایی خود را در اندازه‌های مختلف حفظ کند.

تولد ایروژل جدید

پژوهشگران خمیری حاوی نانولوله‌های کربنی و نانوفیبرهای سلولزی ساختند. سپس این خمیر را با استفاده از یک چاپگر سه‌بعدی روی یک سطح یخ‌زده چاپ کردند، به طوری که هر لایه قبل از اضافه شدن لایه بعدی، منجمد و سفت می‌شد. این فرآیند باعث شد ماده‌ای اسفنج‌مانند ساخته شود که دارای سوراخ‌های عمودی بسیار کوچک و یکنواختی با قطر حدود ۲۰ میکرومتر بود.

آن‌ها قطعات مربعی‌شکل از این ماده را آزمایش کردند که اندازه آن‌ها از یک تا حدود هشت ‌سانتی‌متر متغیر بود و به این نتیجه رسیدند که قطعات بزرگ‌تر نیز کارایی مشابه قطعات کوچکتر را دارند.  

گام بعدی آزمایش در محیط واقعی بود. پژوهشگران در فضای باز ایروژل طراحی شده را درون یک لیوان حاوی آب دریا قرار دادند و روی آن را با پوششی شفاف، پلاستیکی و قوس‌دار پوشاندند. نور خورشید سطح بالایی ماده اسفنجی را گرم کرد و باعث شد تنها آب و نه نمک تبخیر شده و به بخار تبدیل شود. وقتی بخار آب به سطح داخلی پوشش پلاستیکی برخورد کرد، سرد و به مایع تبدیل شد و در ظرفی جداگانه جمع‌آوری شد.

پس از شش ساعت قرار گرفتن در معرض نور خورشید، این سامانه توانست حدود سه قاشق غذاخوری آب آشامیدنی تولید کند بدون اینکه به برق نیاز داشته باشد.

آینده روشن

از آنجا که ایروژل جدید را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی تولید کرد، کاربرد گسترده آن ممکن است در آینده نزدیک امکان‌پذیر شود و این امید وجود دارد که بتوان از آن در مناطق ساحلی یا در شرایط اضطراری و بحران‌های انسانی پس از وقوع بلایای طبیعی که مشکل دسترسی به آب آشامیدنی وجود دارد، استفاده کرد.

در راستای استفاده از نور خورشید برای تولید آب آشامیدنی، مهندسان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) نیز دستگاه جدیدی (شبیه یک پنل عمودی) ساخته‌اند که بدون نیاز به هیچ منبع انرژی، آب آشامیدنی را حتی در خشک‌ترین محیط‌ها، از هوا جمع‌آوری می‌کند. پنل آن‌ها نیز با ماده هیدروژل (Hydrogel) سیاه پوشانده می‌شود.

انجام چنین پژوهش‌های موفقی در شرایطی که با بحران آب در سراسر جهان روبرو هستیم، نور امیدی به آینده می‌تاباند.