• خانه
  • |
  • علمخانه
  • |
  • ساختن آب از هوا؛ آیا می‌توانیم از هوای رقیق آب بسازیم؟

ساختن آب از هوا؛ آیا می‌توانیم از هوای رقیق آب بسازیم؟

5/5 - (3 امتیاز)
شکل ۱. دختری پس از جمع‌آوری آب آشامیدنی از برکه‌ای در ساتخیرا، بنگلادش (Satkhira, Bangladesh)، در طول خشکسالی، در 27 مارس 2022، وارد یک مزرعه عمیقاً ترک‌خورده می‌شود. زندگی با آب محدود مدت‌هاست که برای بسیاری از کشورها یک واقعیت زندگی بوده است. منبع: Kazi Salahuddin Razu/NurPhoto/Getty Images

آب به طور فزاینده‌ای در کشورهای توسعه‌یافته به یک مسئله مهم تبدیل شده است. اما این مسئله برای کشورهای کمتر توسعه‌یافته چیز جدیدی نیست. قرن‌هاست که دسترسی به آب شرب تمیز برای بسیاری از جمعیت‌ها، به‌ویژه در کشورهای فقیر، دشوار بوده است. در برخی مناطق، ممکن است آب موجود باشد، اما اغلب آلوده به بیماری است و نوشیدن آن می‌تواند کشنده باشد. در مناطق دیگر، تأمین آب قابل استفاده، به سادگی وجود ندارد.

بر اساس گزارش سازمان بهداشت جهانی، بیش از ۲ میلیارد نفر در کشورهای دچار کمبود آب زندگی می‌کنند و انتظار می‌رود که این تعداد به دلیل تغییرات اقلیمی و رشد جمعیت در برخی مناطق افزایش یابد. این ما را به این فکر می‌اندازد: از آنجا که جهان به آب تمیز به شدت نیاز دارد، چرا نمی‌توانیم به سادگی آن را بسازیم؟

آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. به نظر می‌رسد که این ترکیب، یک شیمی پایه‌ای و ساده باشد، پس چرا فقط آنها (این دو عنصر) را به هم نمی‌زنیم و مشکل آب را حل نمی‌کنیم؟ به طور نظری، این امکان‌پذیر است، اما این فرآیند بسیار خطرناک خواهد بود.

برای ایجاد آب، باید اتم‌های اکسیژن و هیدروژن وجود داشته باشند. مخلوط کردن آنها کمکی نمی‌کند؛ شما هنوز با اتم‌های هیدروژن و اکسیژن جداگانه مواجه هستید. اوربیتال‌های الکترون‌های هر اتم باید به هم متصل شوند و برای این کار، باید یک انفجار ناگهانی از انرژی داشته باشیم تا این ذرات خجالتی به هم بپیوندند.

از آنجا که هیدروژن بسیار قابل اشتعال است و اکسیژن احتراق را پشتیبانی می‌کند، ایجاد این نیروی اختلاط، نیاز به چیزی بیشتر از یک جرقه ندارد — حتی نیازی به شعله نیست — و بوم! ما آب داریم. اوربیتال‌های الکترون‌های اتم‌های هیدروژن و اکسیژن به هم متصل شده‌اند.

اما ما همچنین یک انفجار داریم و — اگر آزمایش ما به اندازه کافی بزرگ باشد — یک انفجار مرگبار! بالن بدشانس، «هندنبورگ (Hindenburg)»، برای نگه‌داشتن خود در هوا پر از هیدروژن بود. زمانی که در ۶ مه ۱۹۳۷ به شهر نیوجرسی (New Jersey) نزدیک می‌شد تا پس از یک سفر در اقیانوس اطلس فرود بیاید، الکتریسیته ساکن (یا به گفته برخی، یک عمل خرابکاری) باعث جرقه زدن هیدروژن شد. زمانی که با اکسیژن موجود در هوا مخلوط شد، هیدروژن منفجر شد و بالن را یک توپ آتش دربر گرفت که ظرف نیم دقیقه کاملاً آن را نابود کرد.

با این حال، در این انفجار مقدار زیادی آب نیز تولید شد.

برای ایجاد مقدار کافی آب شرب برای تأمین جمعیت جهانی، یک فرآیند بسیار خطرناک و به شدت بزرگ‌مقیاس لازم خواهد بود. با این حال، بیش از یک قرن پیش، فکر کردن به یک موتور احتراق داخلی — با انفجارهای کنترل‌شده و مکرر — به نظر خطرناک و دیوانه‌وار می‌رسید. اما با کمبود آب، فرآیند پیوند دادن اتم‌های هیدروژن به اتم‌های اکسیژن ممکن است جذاب‌تر از آنچه در حال حاضر هست، شود. به هر حال، نیاز مادر اختراع است.

اما راه‌های ایمن‌تری برای تولید آب از هوا وجود دارد و پروژه‌هایی برای انجام همین کار در حال حاضر در حال انجام است.

ایجاد آب از هوای رقیق
شکل ۲. بخار آب همیشه از رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و اقیانوس‌های جهان به هوا بالا می‌رود. منبع: KEREM YUCEL/AFP/Getty Images

در اطراف ما همیشه آب وجود دارد، اما ما نمی‌توانیم آن را ببینیم. هوای موجود در جو ما حاوی مقدار متغیری از بخار آب است که بسته به وضعیت آب و هوا متفاوت است. وقتی هوا گرم و مرطوب است، بخار آب تبخیر شده می‌تواند تا ۶ درصد از هوایی که تنفس می‌کنیم را تشکیل دهد. در روزهای سرد و خشک، این مقدار می‌تواند به ۰٫۰۷ درصد از ترکیب هوا کاهش یابد.

این هوا بخشی از چرخه آب یعنی یک فرایند زمین‌شناسی است. به‌طور ساده، آب از رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و اقیانوس تبخیر می‌شود. این آب به جو منتقل می‌شود، جایی که می‌تواند در ابرها جمع شود (ابر در واقع تجمعاتی از بخار آب است). پس از اینکه ابرها به نقطه اشباع برسند، قطرات آب شکل می‌گیرند که ما آن‌ها را باران (Rain) می‌نامیم. این باران در سطح زمین سرازیر می‌شود و در حجم‌های آبی جمع می‌شود (رودخانه، دریاچه، دریا و…-م)، جایی که این فرایند دوباره آغاز می‌شود.

مشکل وقتی است که چرخه آب وارد دوره‌های خشکی می‌شود. به همین دلیل، برخی از مخترعان شروع به فکر کردن کرده‌اند که چرا منتظر بمانیم؟ چرا بخار آب را مستقیماً از هوا استخراج نکنیم؟

خب، برخی این کار را انجام داده‌اند. در اینجا نگاهی به برخی از جدیدترین فناوری‌ها برای ایجاد آب از هوا داریم.

 

آکوائر (Aquaer)

انریکه ویگا (Enrique Veiga)، یک مهندس اسپانیایی ۸۲ ساله، یک دستگاه استخراج آب آشامیدنی اختراع کرده است که از برق برای خنک کردن هوا تا زمانی که به آب تبدیل شود، استفاده می‌کند. این اثر مشابه اتفاقی است که در واحدهای تهویه مطبوع می‌افتد.

او اولین کسی نیست که از این فناوری استفاده می‌کند، اما شرکت آکوائر اولین شرکتی است که در دماهای بالای ۱۰۴ درجه فارنهایت (۴۰ درجه سلسیوس) و رطوبت بین ۱۰ تا ۱۵ درصد کار می‌کند. به عبارت دیگر، دستگاه او می‌تواند در بیابان آب تولید کند، جایی که مردم بیشتر به آب نیاز دارند.

پس از بهینه‌سازی دستگاه، آکوائر مأموریت پیدا کرد تا آب آشامیدنی را برای مناطق نامیبیا (Namibia) و یک اردوگاه پناهندگان در لبنان تأمین کند. ویگا یک سازمان غیرانتفاعی به نام Water Inception با چشم‌اندازی برای توزیع ماشین‌های تولید آب خود به اردوگاه‌های پناهندگان و دیگر مناطق خشک دنیا تأسیس کرد.

 

آسیاب بادی ویسون (Whisson’s Windmill)

مخترع استرالیایی، مکس ویسون (Max Whisson)، از رویکرد دیگری استفاده می‌کند. آسیاب بادی ویسون از نیروی باد برای جمع‌آوری آب از جو استفاده می‌کند. در سال ۲۰۱۸، او به شبکه پخش استرالیایی گفت که بخار آب در حدود “۱۰,۰۰۰ میلیارد لیتر [حدود ۲,۶۰۰ میلیارد گالن] در یک کیلومتر پایینی [حدود ۰٫۶۲ مایل] از هوای اطراف جهان” وجود دارد. و تمام این آب هر چند ساعت یک بار به‌عنوان بخشی از چرخه آب جایگزین می‌شود.

دستگاه بادی ویسون از مبرّد یا سردکن (Refrigerant) برای خنک کردن تیغه‌های آسیاب خود، که او نام آن را “مکس‌واتر (Max Water)” گذاشته، استفاده می‌کند. این تیغه‌ها به‌صورت عمودی قرار دارند تا حتی کوچک‌ترین نسیم، آنها را بچرخاند. تیغه‌ها هوا را خنک می‌کنند و باعث می‌شوند بخار آب متراکم شده و دوباره به آب مایع تبدیل شود. این انباشته سپس جمع‌آوری و ذخیره می‌شود. دستگاه بادی ویسون می‌تواند تا ۲,۶۰۰ گالن (۹,۸۴۲ لیتر) آب در روز از هوا جمع‌آوری کند.

ویسون گفت که بزرگترین چالش او نه مهندسی پشت اختراعش، بلکه پیدا کردن سرمایه‌گذاری برای حمایت از آن است.

 

مولد آب جوی شرکت تولیدی سونامی

محصولات سونامی ، یک شرکت مستقر در واشنگتن که در کالیفرنیا فعالیت می‌کند، دستگاهی برای تولید آب توسعه داده است که شبیه یک دستگاه تهویه مطبوع عمل می‌کند. این دستگاه هوا را رطوبت‌زدایی می‌کند، بخار آب را استخراج می‌کند و سپس آن را فیلتر می‌کند تا برای نوشیدن آماده شود.

به گفته تولیدی سونامی، این دستگاه با کشیدن هوا “از طریق مجموعه‌ای از کویل‌های متراکم‌سازی، جایی که بخار آب به اندازه کافی خنک می‌شود تا به نقطه شبنم برسد، کار می‌کند. این کار، بخار آب را به قطره تبدیل می‌کند.” آب تبدیل شده سپس برای هر گونه آلودگی، مانند پاتوژن‌ها و گرده، فیلتر می‌شود و در یک مخزن ذخیره‌سازی جمع‌آوری می‌شود که آماده برداشت است.

 

دستگاه‌های برداشت مه (مه‌چین)

هر چه رطوبت نسبی بیشتر باشد، آب بیشتری در هوا برای جمع‌آوری وجود دارد. با توجه به اینکه مه زمانی رخ می‌دهد که رطوبت نسبی نزدیک به ۱۰۰ درصد است، شما ممکن است فکر کنید که محققان سعی می‌کنند آب را از مه استخراج کنند. و شما درست فکر می‌کنید.

دستگاه‌های مه‌چین سال‌هاست که وجود دارند و به‌طور منطقی، در اقلیم‌های مه‌آلود مانند مناطق ساحلی و کوهستانی بهترین کارایی را دارند. این سیستم‌های جمع‌آوری نسبتاً کم‌هزینه، شبیه به تورهای والیبال با مِش ریز، مانند یک توری پنجره هستند. این توری‌ها آب را زمانی که باد از آنها عبور می‌کند، جمع‌آوری می‌کنند. متأسفانه، قطرات آب می‌توانند توری‌ها را مسدود کنند و از عبور باد جلوگیری کنند و در نتیجه از جمع‌آوری آب توسط دستگاه جلوگیری کنند.

شکل ۳. توری‌های مه‌شکن ساخته شده از پارچه الیاف پلی‌اتیلن، آب متراکم‌شده را از بخار آب موجود در هوا گرفته و آن را به مخازن جمع آوری زیرین هدایت می‌کند. منبع: Wikimedia Commons (CC By SA 2.0)

برای بهبود این طراحی، جاناتان بوری‌کو (Jonathan Boreyko)، که مدیریت آزمایشگاه سیالات و سطوح الهام گرفته از طبیعت در دانشگاه ویرجینیا تک (Virginia Tech) را بر عهده دارد، از مادر طبیعت الهام گرفت. او نحوه جمع‌آوری آب توسط درختان غول‌پیکر سکویا (Sequoia) از مه را بر روی برگ‌های سوزن‌هایشان که به صورت افقی قرار دارند، مطالعه کرد. به محض جمع شدن آب بر روی سوزن‌ها، این آب به سمت پایین می‌غلتد و بر روی زمین می‌ریزد و در واقع ریشه‌های درخت را آبیاری می‌کند.

بر اساس این بینش، آزمایشگاه بوری‌کو “چنگ‌های” (harps) جمع‌آوری مه کوچک و آزمایشگاهی را طراحی کرد که دارای سیم‌های افقی جمع‌آوری هستند تا شبیه سوزن‌های درخت سکویا عمل کنند. این روش منجر به جمع‌آوری آبی از مه به میزان سه برابر بیشتر نسبت به سیستم‌های مشابه با سیم‌های عمودی شد.

 

درینکبل ائر

در حال حاضر چندین شرکت از قبیل شرکت درینکبل ائر Drinkable Air مستقر در فلوریدا ماشین‌های تولید آب از هوا می‌فروشند. این شرکت از “تکنولوژی موّلد آب جوی” (atmospheric water generator technology) استفاده می‌کند تا هوا را از طریق یک فیلتر الکتروستاتیک-میکروبی ضدعفونی‌کننده عبور دهد که به حذف ذرات معلق در هوا کمک می‌کند. یک واحد تقطیر، جریان هوای تمیز و مرطوب را دریافت کرده و بخار آب را به مایع تبدیل می‌کند. هنگامی که ماشین، آب را جمع‌آوری می‌کند، طبق گفته وب‌سایت شرکت، آب “به یک مخزن جمع‌آوری می‌ریزد که برای حفظ آب خالص و تازه، اوزون‌زنی (اوزون از دگرشکلهای اکسیژن است – مترجم) می‌شود”. این ماشین همچنین آب را خنک کرده و فیلتر می‌کند و سپس مواد معدنی را اضافه می‌کند تا سطح pH را افزایش داده و طعم آن را بهبود بخشد.

 

دروپس (Drupps)

و در نهایت شرکت دروپس، یک شرکت فرعی از شرکت کنترل رطوبت Airwatergreen، هم وجود دارد. این شرکت از تکنولوژی کاملاً متفاوتی برای جمع‌آوری آب استفاده می‌کند که به یک جاذب مایع (liquid desiccant) وابسته است تا رطوبت را از هوا بگیرد. این مخلوط آبکی، سپس گرم می‌شود و آب از آن بخار می‌شود، خنک شده و جمع‌آوری می‌شود. در حالی که این روش از نظر هزینه موثر است، اما معایبی نیز دارد. مانند سیستم‌های جمع‌آوری آب به سبک تقطیر، تکنولوژی دروپس انرژی‌بر است و بنابراین به محیط زیست آسیب می‌زند.

در مورد محیط زیست صحبت کردیم، اصلاً چرا باید زحمت جمع‌آوری آب از هوا را بکشیم؟ چرا به سادگی بارش باران بیشتری را ایجاد نکنیم؟ ممکن است به نظر غیرمعقول بیاید، اما در واقع این کار – البته گاهی اوقات با پیامدهای فاجعه‌بار، انجام می‌شود.

بارورسازی ابرها و فاجعه بریتانیا
شکل ۴. این هواپیمای مخصوص بارورسازی ابرها، مستقر در مودستو، کالیفرنیا (Modesto, California)، بر فراز کوهپایه‌های سیرا نوادا پرواز می‌کند تا ابرها را با یدید نقره بارگیری کند تا بارش بیشتری تولید کنند. منبع: Michael Macor/San Francisco Chronicle/Getty Images

معلوم شده است که به لطف یک تکنیک تغییر آب و هوا به نام بارورسازی ابرها (Cloud Seeding)، انسان‌ها نیز می‌توانند باران‌ساز باشند. این روش شامل افزودن مصنوعی هسته‌های متراکم‌سازی یا تغلیظ (ذرات ریز معلق که بر روی آنها بخار آب متراکم می‌شود) به جو است که پایه‌ای برای تشکیل و سقوط برف یا باران فراهم می‌کند.

بارورسازی ابرها می‌تواند با سوزاندن مقدار کمی یدید نقره از موّلدهای مستقر در زمین یا آزاد کردن این ماده شیمیایی به هوا توسط هواپیماها انجام شود. این کار در ۱۵ مارس ۲۰۲۲ در درّه مرکزی کالیفرنیا توسط شرکت خدمات عمومی شهری ساکرامنتو (SMUD) انجام شد تا یخچال‌های برفی کوهستانی و جریان‌های آب در بالای رودخانه آمریکایی را افزایش دهد و در تلاش برای تولید انرژی برق‌آبی بیشتر باشد.

مزایای بارورسازی ابرها شامل افزایش یخچال‌های برفی کوهستانی و افزایش دسترسی به منابع آب طبیعی است. اما می‌تواند کاربردهای مسئله‌دارتری نیز داشته باشد که گاهی اوقات نتایج منفی به همراه دارد.

در تلاش برای جلوگیری از باران در مراسم افتتاحیه المپیک تابستانی ۲۰۰۸ در پکن، چین از بارورسازی ابرها استفاده کرد، که با شلیک یدید نقره به ابرهای طوفانی در روزهای منتهی به این رویداد انجام شد. دولت چین امیدوار بود که بتواند به نوعی “ابرهای موجود” را تمام کند و آسمان‌های روشنی را برای مراسم تضمین کند.

این کشور دهه‌هاست که این کار را – با نتایج مثبت، انجام می‌دهد. اما یک آزمایش دیگر در بارورسازی ابرها، در سمت دیگر قارّه اوراسیا، به خوبی پیش نرفت.

پس از جنگ جهانی دوم، دولت بریتانیا هنوز در جستجوی راه‌هایی برای برتری بر نیروهای دشمن بود. نازی‌ها نزدیک به نابودی بریتانیا شده بودند و بریتانیا به دنبال آماده‌سازی بود. دولت بریتانیا رو به سوی به آسمان‌ها به دنبال برتری بود. نیروی هوایی سلطنتی (RAF) شروع به آزمایش بارورسازی ابرها کرد. با بارور کردن ابرها با ذرات لازم برای ایجاد طوفان‌های شدید، بریتانیا می‌توانست به طور مؤثر حرکت نیروهای دشمن را مختل کند و حتی به طور واقعی پیشرفت‌های دشمن را با باران شدید نابود کند. اما پروژه بارورسازی ابرها به طرز فاجعه‌باری به نتیجه رسید.

نیروی هوایی بریتانیا آزمایش‌های محرمانه بارورسازی ابرها را پس از جنگ جهانی دوم انجام داد. نتایج فاجعه‌بار بود.

البته این‌طور نیست که آزمایش‌های بارورسازی ابرها کار نکرده باشد. بلکه بیش از حد خوب کار کرد!

شکل ۵. نیروی هوایی بریتانیا پس از جنگ جهانی دوم آزمایش‌های مخفیانه باروری ابرها را انجام داد. نتایج فاجعه‌بار بود. منبع: Courtesy Hulton Archive/Getty Images

در سال 2001، بی‌بی‌سی (BBC) به بررسی شایعاتی پرداخت که حاکی از آن بود که نیروی هوایی سلطنتی (RAF) ابرها را در انگلستان بارور کرده است. آن‌ها به حساب‌های مستقیم برخی از خلبانانی که در یک مأموریت فوق‌سری به نام “عملیات کومولوس (Operation Cumulus)” شرکت داشتند، دست یافتند. در این عملیات که در اوت 1952 انجام شد، خلبانان نیروی هوایی سلطنتی بالای خط ابرها پرواز کرده و محموله‌هایی از یخ خشک، نمک و — مشابه آنچه که چینی‌ها در حال حاضر استفاده می‌کنند — یدید نقره را رها کردند.

پس از تنها 30 دقیقه، باران از ابرهای آلوده‌شده شروع به باریدن کرد. در ابتدا، خلبانان نیروی هوایی سلطنتی — که توسط رسانه‌ها “باران‌ساز” نامیده می‌شدند — موفقیت خود را جشن گرفتند. اما ظرف یک هفته، سیلاب آغاز شد. تا پایان ماه، ناحیه شمال دوون (Devon)، منطقه‌ای در انگلستان نزدیک به محل آزمایش بارور کردن ابرها، 250 برابر مقدار بارش معمولی را تجربه کرد.

در 15 اوت 1952، روزی که باران آغاز شد، تخمین زده شد که 90 میلیون تن (82 میلیون تن متریک) آب در یک روز از طریق شهر لینموث (Lynmouth) جاری شد. درختان کاملاً از ریشه کنده شدند و سدهایی را تشکیل دادند و اجازه دادند که جریان دو رودخانه‌ای که از میان لینموث عبور می‌کردند، حتی قوی‌تر شود. سنگ‌های بزرگ توسط جریان حمل شدند، ساختمان‌ها را ویران کردند و ساکنان را به دریا بردند. در مجموع، 35 بریتانیایی در آن روز به دلیل باران شدید جان خود را از دست دادند. وزارت دفاع بریتانیا تأکید می‌کند که قبل از حادثه لینموث، آزمایش‌هایی در زمینه بارور کردن ابرها انجام نداده است.

چین و بریتانیا دو نسخه از یک تصویر مشابه را ترسیم کرده‌اند. از یک سو، کشور آسیایی موفق به ایجاد یک برنامه بارور کردن ابرها شده است. آن‌ها توانسته‌اند آبیاری برای زمین‌های خشک ایجاد کنند. اما فاجعه بریتانیا نشان‌دهنده نتایج بالقوه بازی با نیروهای طبیعت است.

و هنوز هم، ما بیشتر از همیشه به آب نیاز داریم. استفاده از انفجارها برای تولید آب در حال حاضر امکان‌پذیر نیست و روش‌های کنونی جمع‌آوری آب به اندازه کافی در مقیاس بزرگ تولید نمی‌شوند تا به نیاز روزافزون آب کمک کنند. آب یک منبع محدود است و زندگی بر روی زمین نمی‌تواند بدون آن ادامه یابد.

سوالات متداول درباره تولید آب

آیا امکان تولید آب وجود دارد؟

به طور نظری، این امکان وجود دارد. شما باید دو مول گاز هیدروژن و یک مول گاز اکسیژن را ترکیب کنید تا آن‌ها را به آب تبدیل کنید. با این حال، برای شروع واکنش به انرژی فعال‌سازی نیاز دارید.

آب در طبیعت چگونه تولید می‌شود؟

تحقیقات نشان می‌دهد که آب روی زمین از سیارک‌ها و ابرهای سنگین گاز و گرد و غبار بلافاصله پس از شکل‌گیری خورشید به وجود آمده است. علاوه بر این، جو زمین پر از اکسیژن است که با دوتریوم و هیدروژن ترکیب می‌شود تا آب تولید کند.

آیا دستگاهی وجود دارد که بتواند آب تولید کند؟

دستگاهی وجود دارد که آب شرب را از هوای مرطوب استخراج می‌کند، به نام “مولد آب جوی”.

 

نویسندگان: Josh Clark & Jennifer Walker-Journey

مترجم: فؤاد پورفائز

منبع: howstuffworks.com

این مطلب را به اشتراک بگذارید:

اشتراک در
اطلاع از
guest
0 نظرات
قدیمی‌ترین
تازه‌ترین بیشترین رأی
بازخورد (Feedback) های اینلاین
مشاهده همه دیدگاه ها