چگونه رطوبت را از جو بگیریم | آب در همه جا

حتی در خیال‌پردازانه‌ترین داستان‌های علمی-تخیلی هم بشر نمی‌تواند خود را از وابستگی به آب برهاند. اما موضوع استخراج آب از جو در فیلم «جنگ ستارگان» و در چند داستان دیگر آمده است.

نخاله‌های ساختمانی چه بلایی بر سر محیط زیست می‌آورد؟ | زباله‌های نخاله‌

مهندسان روی کره زمین هم هر روز در جو به دنبال آب می‌گردند. آنها برای این کارشان دلیل کافی دارند. حتی در عمق صحرای اتاکاما در شیلی که اغلب خشک‌ترین منطقه کره خاکی است، برآوردها نشان می‌دهند مه و شبنم می‌تواند حدود 200 میلی‌متر آب را به ازای هر متر مربع فراهم کند. در سایر نقاط سخاوتمندی بیشتری از جو دیده می‌شود. طبق برآوردها، جو زمین در مجموع 12900 کیلومتر مکعب معادل حجم دریاچه سوپریر (Superior) در آمریکای شمالی آب دارد. علاوه بر این، الگوسازی‌ها نشان می‌دهند به خاطر تبخیر ناشی از گرمایش زمین این حجم آب تا 50 سال آینده 27 درصد بیشتر خواهد شد. ایجاد امکان دسترسی به این منبع نامرئی امری حیاتی است.

در حال حاضر بیش از 3 /2 میلیارد نفر در کشورهای دچار مضیقه آبی زندگی می‌کنند و طبق پیش‌بینی تحلیلگران، خشکسالی‌های بیشتر حدود یک‌سوم از این افراد را به ترک خانه‌هایشان وادار خواهد کرد. استخراج آب از هوا موضوع تازه‌ای نیست. گفته می‌شود که اقوام اینکا مخترع این تکنیک هستند. آنها سطل‌هایی را زیر درختان می‌گذاشتند تا آب حاصل از میعان مه‌های سنگین برخاسته از دریا را گردآوری کنند. درختان برگ بو، عرعر و کاج در جزایر قناری به «درختان چشمه‌ای» شهرت دارند، چون آب موجود در مه را می‌گیرند. ساکنان کوه‌های خشک عمان نیز از قدیم ظرف‌هایی را به همین منظور زیر درختان می‌گذاشتند. روش‌های مدرن استخراج آب از جو از بسیاری از همان اصول اولیه پیروی می‌کنند. اما به جای استفاده از برگ درختان که در منطقه وسیعی پراکنده‌اند، از ورقه‌هایی از پلیمر بسیار ظریف بهره می‌برند. زمانی که مه از میان این شبکه‌های توری پلیمری رد می‌شود قطرات ریز آب به الیاف پلیمر می‌چسبند. این قطرات بزرگ و بزرگ‌تر می‌شوند تا جایی که جاذبه زمین آنها را به داخل یک ظرف قیف‌مانند می‌کشاند تا از آنجا به مخزن بروند. اندازه این دستگاه‌ها متفاوت است و یک مجموعه با اندازه 40 متر مربع در یک منطقه مه‌آلود می‌تواند روزانه 200 لیتر آب تهیه کند. این مقدار برای تامین آب آشامیدنی 60 نفر کافی است. پیشرفت‌های بیشتر نیز امکان‌پذیرند. تیم دکتر اورسلا استاچوی از دانشگاه کراکف در لهستان متوجه شد با تغییر روش تولید تارهای پلیمری می‌توان بهره‌وری ورقه‌ها را بالا برد. طبق نظریه دکتر استاچوی می‌توان ورقه‌ها را به دقت با فرآیندی به نام چرخش الکتریکی تولید کرد که در آن ورقه‌ها شارژ الکتریکی اندکی به دست می‌آورند و این برق قطرات ریز بیشتری را از مه جذب می‌کند. خانم استاچوی و آقای گریگوری پاریسی در آگوست گذشته گزارش دادند که با افزودن دی‌اکسید تیتانیوم به ورقه‌ها می‌توان به پیشرفت دیگری رسید. پژوهش‌های قدیمی نشان داده بودند که دی‌اکسید تیتانیوم در معرض نور ماورای بنفش می‌تواند قابلیت جذب آب را به شدت بالا ببرد. این ویژگی در زمانی که مه رقیق باشد بهره‌وری ورقه‌ها را تا 30 درصد بالاتر می‌برد. دستگاه‌های جمع‌آوری آب ساخت خانم استاچوی در حال حاضر در مکان‌هایی در سه قاره جهان استفاده می‌شوند. در دوردست‌های خشکی‌ها، جایی که کمتر اتفاق می‌افتد به راه‌حل‌های دیگری نیاز داریم. یکی از رویکردهای موثر آن است که آب موجود در هوا را جمع‌آوری کنیم. وقتی دما پایین می‌آید ظرفیت حمل آب از طریق هوا کم می‌شود. در این حالت آب اضافی به شکل شبنم بر روی سطوح می‌نشیند. وجود شبنم در مناطقی مانند بریتانیا که هوا از آب اشباع‌ شده امری عادی است، اما در هر مکانی که اندکی باد بوزد و میانگین نسبی رطوبت 70 درصد یا بیشتر باشد می‌توان از هوا آب گرفت. روش کلیدی برای این کار سرمایش تشعشعی نام دارد. این پدیده شب‌هنگام و زمانی اتفاق می‌افتد که موادی خاص (مانند آلومینیوم) گرمای خود را می‌تابانند و از دمای محیط پیرامونشان خنک‌تر می‌شوند. بنابراین پس از غروب خورشید بر روی سطح این مواد میعان اتفاق می‌افتد و قطرات ریز آب شکل می‌گیرند. اتاقک‌هایی که از این مواد تشعشع‌زا ساخته می‌شوند لایه‌هایی جذب‌کننده در زیر سطح خود دارند که آب موجود در هوا را می‌گیرند. وقتی هوای مرطوب به این اتاقک‌ها می‌وزد قبل از خروج در معرض خنکی قرار می‌گیرد و آب خود را از دست می‌دهد. یکی از مزیت‌های بزرگ این تکنیک کارایی آن در بیابان است، جایی که شاهد آسمان صاف، دمای بالای روز و شب‌های خنک هستیم. از معایب بزرگ روش سرمایش تشعشعی می‌توان به ناکارآمدی آن در طول روز اشاره کرد. دیموس پولیکاکوس از دانشگاه زوریخ در سال 2021 یک قطعه شیشه‌ای ساخت که لایه‌ای از نقره در پایین و لایه‌ای از پلیمر سیلیکون در درون لایه‌های کروم در بالا داشت. لایه نقره نور خورشید را باز می‌تاباند و لایه ساندویچ‌شکل پلیمری به ابزار امکان می‌داد تا گرما را در قالب تشعشع مادون قرمز ساطع کند. این کار دمای شیشه را تا 15 درجه کمتر از دمای محیط پایین می‌آورد و باعث می‌شد حتی در گرمای روز هم میعان اتفاق بیفتد. اتاقک میعانی که با این شیشه ساخته می‌شود اگر با یک حفاظ حرارتی همراه باشد می‌تواند روزانه به ازای هر متر مربع مساحت خود 2 /1 لیتر آب تولید کند. چالش دیگر سیستم‌های سرمایش تشعشعی آن است که باید آب از روی سطوح اتاقک‌ها برداشته شود. این امر به نیروی برق نیاز دارد که معمولاً از توربین‌ها یا پنل‌های خورشیدی در همان اطراف تامین می‌شود و اغلب پرهزینه است. دکتر پولیکاکوس و همکارش برای کاهش هزینه‌ها یک روکش جاذب آب بر روی سطح اتاقک کشیدند تا قطرات ریز آب را به خود بکشد و امکان کار کردن دستگاه بدون نیاز به برق را فراهم کند. این فناوری‌ها ارزان‌قیمت هستند و نمونه‌های آزمایشی کمتر از 50 دلار هزینه دارند، اما در اکثر مناطقی که نیازمند به آب هستند سطح رطوبت بسیار کمتر از آن است که روش جمع‌آوری شبنم جوابگو باشد. در این مناطق استفاده از مواد ابرجاذب بهترین گزینه به شمار می‌رود. بسیاری از نمک‌ها به راحتی آب را از هوا می‌گیرند. با چنین دانشی، یک تیم مهندسی به رهبری پنگ وانگ از دانشگاه ملک عبدالله عربستان سعودی به بررسی کارایی کپسول‌های توخالی نانوکربن پرداختند که با نمک لیتیوم کلراید پر می‌شوند. این پژوهشگران در سال 2020 اعلام کردند وقتی رطوبت نسبی کمتر از 60 درصد هم باشد این کپسول‌ها می‌توانند بیش از دو برابر وزن خود بخار آب را از محیط بگیرند. روش‌های مشابه که از نمک‌های دیگر استفاده می‌کنند قادرند آب را در محیط‌هایی با رطوبت کمتر از 10 درصد نیز برداشت کنند. این یافته‌ها نویدبخش هستند، اما فناوری‌ها باید از حد نمونه‌های آزمایشی فراتر روند. مشکل به عدم کارایی آنها مربوط می‌شود. حتی کپسول‌های مشهور دکتر وانگ هم در شرایط خشک فقط 6 /1 لیتر آب به ازای هر کیلو لیتیوم کلراید و طی 10 ساعت تولید می‌کنند. این مقدار بهتر از هیچ است ولی برای تامین آب یک جامعه کافی نیست. با این حال، چنین فناوری‌هایی به ما وعده آینده‌ای درخشان را می‌دهد. مناطقی که از مدت‌ها قبل خشک بوده و هیچ بارشی نداشته‌اند ممکن است روزی آب کافی پیدا کنند و قابل سکونت شوند.

 این یک تصویر خیالی نیست.