الاستدامة
تقنية الأشعة فوق الصوتية تعزز استخراج المياه الجوية بشكل كبير
ملخص
يمكن جهاز الأشعة فوق الصوتية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا استخراج المياه من الهواء الرطب بفعالية تصل إلى 45 مرة أكثر من الأنظمة التي تعتمد على الحرارة، مما يقلل من الدورات من ساعات إلى دقائق. إذا تم توسيع نطاقه مع الطاقة المتجددة، يمكن أن يسمح بتحويل المياه النقية خارج الشبكة في المناطق القاحلة والمناطق النائية.
المياه النقية من الهواء الرقيق: أساسيات استخراج المياه الجوية
في nhiều مناطق من العالم، تأتي المياه العذبة باهظة الثمن. أحد الخيارات للاستفادة منها يمكن أن يكون تحلية المياه، ولكن حتى الآن، هذا النهج يتطلب الكثير من الطاقة، حتى لو كان هناك بعض التقدم في التكنولوجيا الشمسية التي جعلته أقرب إلى الواقع.
لا تكون تحلية المياه البحرية خيارًا للعديد من المناطق القاحلة في الداخل، مثل آسيا الوسطى ومونغوليا وجبال تشيلي أو معظم صحراء الصحراء.
خيار آخر هو التقاط المياه الموجودة في الهواء. في الواقع، تتمتع العديد من الصحاري برطوبة جوية عالية، ولكن لأسباب مناخية، لا تتكون الأمطار والسحب.
هذا هو وعد استخراج المياه الجوية. لقد غطينا في السابق كيف يمكن أن تعزز التبريد السلبي مع الطلاء السيليكوني كفاءة استخراج المياه بالجاذبية وكيف يمكن أن تساعد البوليمرات الجديدة في ذلك أيضًا.
الآن يبحث الباحثون عن تحسينات إضافية على استخراج الرطوبة الجوية، مما يbringنا أقرب إلى خيال العلمي لاستخراج المياه “فخاخ الرياح” في عالم ديون.
فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بالتعاون مع شركة SmarAct Metrology GmbH & Co. KG الألمانية، استخدم الأشعة فوق الصوتية لتعزيز كفاءة امتصاص المياه الجوية. ونشرت نتائجهم في Nature Communications1، تحت عنوان “استخراج المياه الجوية بفعالية عالية باستخدام الأشعة فوق الصوتية“.
شرح امتصاص المياه الجوية
طريقة لاستخراج المياه من الهواء هي استخدام بوليمر يمتزج المياه.
الامتصاص هو القدرة على المواد الصلبة، تسمى “مادة امتصاصية”، لجذب جزيئات الغازات أو المحلات التي تتواصل مع أسطحها – في هذه الحالة، بخار الماء الغازي والقطرات المعلقة في الهواء.
في الحياة اليومية، نعرف مواداً ماصة مثل الجيل السيليكا في التعبئة التجارية. هذا هو عملية tương đối فعالة، ويمكن جمع الكثير من المياه المحيطة.
مصدر: جامعة أوساكا متروبوليتان
المشكلة هي جعل البوليمر يطلق هذه المياه. عادة ما يتطلب ذلك حرارة حول 100 درجة مئوية لتفكيك هذه البوليمرات، مما يجعلها غير فعالة من حيث الطاقة وتكلفها.
“أي مادة جيدة جدًا في التقاط المياه لا تريد أن تفارق هذه المياه. لذلك تحتاج إلى وضع الكثير من الطاقة وساعات ثمينة لاستخراج المياه من المادة.”
حتى درجات الحرارة الأقل مع البوليمرات الجديدة لهذا المشكلة أن إطلاق المياه باستخدام الحرارة هو عملية بطيئة، تستغرق عشرات الدقائق أو الساعات. ونتيجة لذلك، تحتاج معظم أنظمة امتصاص المياه إلى التقاط المياه في الليل وإطلاقها خلال النهار بالحرارة من الشمس.
على العكس، يمكن استخدام الأشعة فوق الصوتية لتقليل وقت استخراج المياه إلى بضع دقائق فقط ويمكن القيام به عند الطلب.
إمكانيات الأشعة فوق الصوتية
الأشعة فوق الصوتية، أو الموجات الصوتية الضغطية، هي موجات صوتية تنتقل بتواتر يزيد على 20 كيلو هرتز (20,000 دورة في الثانية). وهي تستخدم بشكل متزايد في التطبيقات المتقدمة، مثل الطباعة الحيوية و تشغيل الأجهزة الطبية عن بُعد.
يبدو أن الأشعة فوق الصوتية تذبذب عند التواتر الصحيح لفصل جزيئات الماء والمادة التي امتصتها.
مصدر: نيتشر كوميونيكيشنز
صمم الباحثون حلقة خزفية مسطحة من زيركونات تيتانات الرصاص (PZT)، التي تذبذب عند تطبيق الجهد.
“إنه مثل الماء يرقص مع الموجات، وهذه الاضطراب المستهدفة تخلق زخمًا يطلق جزيئات الماء، ونحن نراها تهتز في قطرات.”
للماء، استخدموا عدة أنواع من هيدروجيلات PAM-LiCl AWH تختلف في المرونة، والتي جميعها تحتوي على أيونات الليثيوم والكلوريد لالتقاط المياه من الهواء.
مصدر: نيتشر كوميونيكيشنز
عندما خضع الجهاز للاختبار، كان قادرًا على إطلاق الماء بكمية كافية لجفاف كل عينة في بضع دقائق فقط.
كما أثبت فحص الهيدروجيل بمجهر إلكتروني أن الأشعة فوق الصوتية لم تسبب أي ضرر للجيل، مما يجعل هذا الجهاز متينًا بما يكفي للاستخدام العملي.
مصدر: نيتشر كوميونيكيشنز
تحسين الكفاءة بشكل كبير
بسبب أن إطلاق المياه بالحرارة كان يحدث مرة واحدة فقط، كانت كفاءة العملية منخفضة جدًا، حتى مع جهاز متقدم يصل إلى 9.5٪ فقط.
على العكس، يمكن للنظام في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إنتاج المياه بشكل متكرر خلال النهار، مما يؤدي إلى كفاءة تصل إلى 428٪، أو زيادة 45 ضعفًا في الكفاءة.
“إنها جميعًا حول كمية المياه التي يمكن استخراجها في اليوم،” تقول. “مع الأشعة فوق الصوتية، يمكننا استعادة المياه بسرعة، ويمكننا إعادة التشغيل مرارًا وتكرارًا. هذا يمكن أن يضيف الكثير في اليوم.”
لذلك، بينما كان الجهاز يهدر بعض الطاقة في الحرارة (تأثير جول)، إلا أنه لا يزال أكثر كفاءة من جميع طرق استخراج المياه الأخرى التي تم تطويرها حتى الآن.
اسحب للاطلاع →
| الطريقة | مصدر الطاقة | سرعة الدورة | الكفاءة (%) |
|---|---|---|---|
| استخراج المياه الجوية التقليدية بالحرارة | الحرارة الشمسية | ساعات لكل دورة | ~9.5% |
| استخراج الأشعة فوق الصوتية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا | الكهرباء (الشمس/الرياح) | دقيقتان لكل دورة | ~428% |
“لقد كان الناس يبحثون عن طرق لاستخراج المياه من الغلاف الجوي، والتي يمكن أن تكون مصدرًا كبيرًا للمياه، خاصة في المناطق الصحراوية والأماكن التي لا توجد فيها حتى مياه مالحة لتحلية.”
الآن لدينا طريقة لاستعادة المياه بسرعة وفعالية.”
تطبيق الواقعي في المناطق القاحلة والمناطق النائية
في البداية، سيكون التطبيق الأفضل لجهاز مثل هذا في المناطق الصحراوية النائية التي تفتقر إلى الوصول إلى الطاقة والمياه العذبة.
على العكس من الامتصاص بالحرارة، سيتطلب هذا الجهاز طاقة كهربائية لتشغيل الأشعة فوق الصوتية، لذلك سيتطلب إنتاج طاقة متوزعة، إما:
- لوحات شمسية مثل تلك المستخدمة في تجارب معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
- مع الرياح، والتي يمكن أن تعمل في الليل، عندما تكون الرطوبة أعلى، مما يسمح بمزيد من دورات استخراج المياه كل ساعة.
- مع نظام طاقة متجدد و بطارية لتشغيله على مدار 24/7.
عند اختبار التردد الأمثل للدورة، وجد الباحثون أن الإيقاع المثالي هو السماح للمادة بامتصاص المياه لمدة ساعة، ثم استخدام الأشعة فوق الصوتية لإطلاقها في دقيقتين، وتكرار الدورة.
أكثر من ذلك، ظلت الطاقة المطلوبة لاستخراج المياه بالأشعة فوق الصوتية ثابتة، بدلاً من رؤية انخفاضًا بطيئًا كما هو الحال مع الطرق التي تعتمد على الحرارة.
مصدر: نيتشر كوميونيكيشنز
تحسينات مستقبلية في استخراج المياه الجوية
مواد ماصة من الجيل التالي
استخدمت هذه الطريقة هيدروجيلات الليثيوم، ولكن هناك العديد من المواد الماصة الأخرى: هيدروجيلات أخرى، وأطر معدنية عضوية، وشبكات الألياف الدقيقة والنANO، ومجموعات من هذه المواد.
كل واحدة منها سيتعين إعادة تقييمها وإعادة هندستها لتعزيز توافقها مع طريقة الاستخراج البديلة.
سيتعين أيضًا تقييم مقاومة التدهور لهذه المواد الماصة الأخرى.
تحسين كفاءة الأشعة فوق الصوتية
نظرًا لأن ناسا أجرت اختبارات على محركات PZT، لما يصل إلى 100 مليار دورة على مدار 580 يومًا، وأظهرت عدم وجود ضرر يمكن الكشف عنه أو انخفاض أداء كبير، من المتوقع أن يكون جزء توليد الأشعة فوق الصوتية من الجهاز متينًا جدًا.
然而، التصميم المستخدم في هذا التجربة غير فعال نسبيًا في تحويل الطاقة إلى أشعة فوق صوتية، مع كفاءة تصل إلى 17-19٪ فقط.
يمكن أن يصل جهاز مصفوفة محول طاقة كهروميكانيكي 1-3 إلى كفاءة تصل إلى 35٪ بدلاً من ذلك.
يمكن أن يكون جهاز الأشعة فوق الصوتية الأكبر الذي يعتمد على PZT أكثر كفاءة من الجهاز التجريبي الصغير الذي تم اختباره هنا. لذلك، يمكن أن تصل الكفاءة إلى 1000٪ أو أكثر عند ضبط وتحسين مادة PZT المستخدمة.
نحو أبراج توليد المياه؟
تحسين آخر مهم هو أن الاستخراج بالأشعة فوق الصوتية لا يتطلب تعرض سطح المادة الماصة للضوء الشمسي. لذلك يمكن ترصيف الأجهزة بشكل رأسي على بعضها البعض دون أي قيود في المبدأ لعدد الصفوف الرأسية.
بدلاً من حقل كبير لامتصاص أشعة الشمس، يمكن بناء أبراج كبيرة تتدفق المياه من كل جهاز متراكب لتصميمات أكثر مركزية.
الشركات التي تحل مشكلة نقص المياه
شركة إكسليم
(XYL )
الدراسة المذكورة
1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2
