الشهر: مارس 2023

يتسم المناخ في أحد المناطق الواقعة في كوكب صحراوي تابع لمجرة بعيدة جدًا بارتفاع درجة الحرارة والجفاف وخلوه من أية مسطحات مائية، فهو عالم متعطش للمياه وبمعزل عن بقية الكواكب تتم إضاءته بنجمين ثنائيين فقط.

يوجد سببان للبدء بتقديم وصف حول “تاتواين” وهما، أن هذا الكوكب الصحراوي ظهر في سلسلة حرب النجوم التي استعرضت تكنولوجيات أصبحت حقيقة واقعة في يومنا هذا، كما أنه بإمكاننا اختبار الأماكن الحقيقية على أرض الواقع والتي كانت مصدر إلهام لهذه المشاهد الخيالية.

سنتحدث الآن عن الزراعة الرطبة.

تعتبر أجهزة التبخير، أو ما يعرف بأبراج التبخير كما ورد في سلسلة حرب النجوم، هي أجهزة تستخدم لإضفاء الرطوبة في المزارع التابعة لكوكب “تاتواين”، حيث تقوم هذه الأجهزة بالتقاط الماء من الغلاف الجوي. وتتصف هذه الأجهزة بأنها اسطوانية طويلة موضوعة على المسطح الأرضي وتعتمد على المكثفات المبردة، حيث تقوم بسحب المياه التي تحيطها من الغلاف الجوي ليتم بعد ذلك ضخ المياه في حوض كبير لتخزينها. ويمكن لهذه الأجهزة جمع 1.5 لتر من المياه يوميًا حتى وإن كانت الرطوبة النسبية في الغلاف الجوي تساوي 1.5%. ويعد ذلك فكرة قيمة، حيث أصبحت تلك الفكرة اليوم حقيقة بفضل التكنولوجيات الحديثة والمواد المتقدمة الذي ظهرت لجمع الماء من الغلاف الجوي.

ويمثل ذلك مفهومًا أساسيًا بسيطًا، فإذا أخذت كأس ماء شديد البرودة وخرجت به في يوم شديد الحرارة ستلاحظ حينها قطرات الماء قد تشكلت على السطح الخارجي للكأس. فإذا رفعت درجة حرارة الهواء ستفقد المياه قدرتها على المحافظة على شكلها الفيزيائي وستتبخر وتتكاثف.

تشكيل الأمطار بدلًا من انتظارها

عند حصولنا على مياه الشرب النظيفة من صنابير المياه في البيوت، فإننا نتصور أن المياه متوفرة بكميات كبيرة وبشكل دائم، إلا أن المياه النظيفة في حقيقة الأمر هي نادرة جدًا، حيث تشكل نسبة المياه الصالحة للشرب في جميع أنحاء العالم 3% ويتم تخزين ما مقداره ثلثي مجموع المياه في الكرة الأرضية وبعضها الآخر متجمد في الأنهار الجليدية أو غير صالح للاستخدام البشري.

الصورة: الذكاء الاصطناعي؛ مجلة جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا

لا تأكل هذا المغلف

نلاحظ جميعنا عند شراء سلعة معينة وجود عبوة صغيرة تحتوي على حبيبات السيليكا الهلامية والموضوعة داخل السلعة بهدف امتصاص الرطوبة. Read more›››

تعتبر مادة السيليكا مادة متوفرة تجاريًا وغير مرتفعة الثمن ومجففة بشكل عالي الفعالية.

يمكن استخدام مادة السيليكا أيضًا في عمليات إنتاج المياه من خلال منهجية التكثيف التقليدية.

وتعتبر السيليكا الهلامية واحدة من أكثر المواد المستخدمة شيوعًا في مجال جمع الرطوبة. وفي هذا الإطار، قامت الأستاذة ليزا كلاين، أستاذة علوم وهندسة المواد في جامعة روتجرز ، ببحث لدراسة المادة واستخدمت مجموعة من أنماط السيليكا لتسهيل تشكل قطرات الماء.

وأجرت ليزا سلسلة من التجارب لتكاثف بخار الماء في نمط السيليكا الهلامية المائية. وعلى الرغم من النمط المائي لمادة السيليكا الهلامية، فإن المادة الهلامية نفسها غير مائية، لذلك فإن قطرات الماء تنزلق إلى الأسفل وتتجمع في وعاء بدلًا من امتصاصها في المادة الهلامية. ‹‹‹ Read less

ونتيجة لذلك، يفتقر أكثر من مليون فرد في العالم للوصول للمياه النظيفة طيلة أيام السنة. ويمكن لظاهرة الاحتباس الحراري أن تساهم في تذويب تلك الأنهار الجليدية، لكن يواصل سكان الأرض إطلاقهم لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، ما يؤدي إلى حدوث تغييرات في الأنماط المناخية والمياه وبالتالي الحد من وفرة المياه لجميع الأفراد في جميع أنحاء العالم. ووفقًا للصندوق العالمي للأحياء البرية فإنه بحلول العام 2025 سيشهد ثلثا سكان العالم نقصًا حادًا في المياه.

وتم تطوير التكنولوجيات التي تشمل تنقية المياه وتحلية المياه والتنقية باستخدام الطاقة الشمسية بهدف الاستفادة من مياه البحر المالحة ومن مياه الصرف، لكن تعتبر هذه التكنولوجيات صالحة فقط في المناطق الساحلية نظرًا لاعتمادها على مصادر مياه أرضية. ومن جهة أخرى، تعد المياه في الغلاف الجوي متوفرة في كل مكان، حيث تساهم دورة المياه العالمية في توفير مصدر مياه مستدام، إضافة إلى أنها مصدر لمياه نظيفة بنسبة 10% من مجموع المياه النظيفة في البحيرات على كوكب الأرض.

يحتوي الغلاف الجوي عند درجة حرارة 40 درجة سلسيوسية على نسبة 100% من الرطوبة، أي ما يقارب 51 مليلتر من المياه لكل متر مكعب من الهواء. وعندما تكون درجة الحرارة في الهواء 10 درجات سلسيوسية، فإن الهواء في هذه الحالة يحتوي على 9.3 مليلتر. وإذا زادت درجات الحرارة أكثر من ذلك فإنه يمكن الحصول على كميات كبيرة من المياه في منطقة شبه الجزيرة العربية التي تتسم بارتفاع درجات الحرارة والرطوبة.

وتساهم التكنولوجيات المتوفرة في التقاط الضباب وجمع قطرات الندى التي تتكاثف خلال فترات الليل، لكن سحب المياه بشكل مباشر من الغلاف الجوي دون استهلاك كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية هو أمر لا يزال قيد التطوير. وفي هذا الإطار، يقول روزو وانغ، الأستاذ في جامعة شنغهاي جياو تونغ، أن عملية جميع المياه من الغلاف الجوي هي عملية متاحة في كل مكان ويمكن التعاون في تنفيذها بسهولة بالاستعانة بمصدر طاقة بهدف الاستفادة منها في تلبية الحاجات المحلية.

وكتب الأستاذ روزو في المجلة العلمية “جول” أن المشكلة تكمن في قلة وفرة الأنظمة التجارية المتخصصة بجمع المياه.

ولكن، متى ستصبح هذه الأنظمة متوفرة؟

ويضيف الأستاذ روزو: “يجب على أية تكنولوجيا قابلة للتطبيق في مجال جمع المياه من الغلاف الجوي أن تستوفي خمسة معايير رئيسة وهي، أن تكون فعالة وغير مكلفة من الناحية الاقتصادية وقابلة للتطوير ويمكن الاستفادة منها على نطاق واسع وأن يمكن الاعتماد عليها لتشغيلها على مدار عام كامل أو كحد أدنى في فترة الرياح الموسمية”.

لا تتوفر هذه المعايير الخمسة في أي من المولدات التجارية لجمع المياه من الغلاف الجوي، ويعزي الأستاذ روزو ذلك إلى عدم كفاء الطاقة في العمليات.

لذلك، تعتبر أجهزة جمع الرطوبة مثالية عندما تتميز بارتفاع معدل امتصاص المياه ومعدل طاقة منخفض وسرعة في دورة عمليات التقاط الرطوبة وإطلاقها واستقرار عال وتكلفة منخفضة،حيث من الممكن تحقيق هذه الشروط الكثيرة من خلال الاستفادة من التطور في مجال علوم المواد.

يعد تطبيق الزراعة الرطبة على نطاق واسع من الخيال العلمي في الوقت الحاضر، لكنها قد تساهم مستقبلًا في توفير المياه النظيفة للمدن في المناطق الصحراوية. المصدر: الذكاء الاصطناعي؛ مجلة جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا

العيش في عالم مادي

تعتمد عملية جمع المياه من الغلاف الجوي على أجهزة مجمعات الرطوبة التي تلتقط البخار من الهواء من خلال الامتصاص، حيث تلتصق جزيئات الماء بسطح المادة من خلال تفاعلات كيميائية وفيزيائية.

يركز الباحثون على المواد التي تشمل الهيدروجل والزيوليت والمواد المسامية المشابهة لما في هذه الصورة. الصورة: الذكاء الاصطناعي; مجلة جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا

ففي الامتصاص الكيميائي، يقوم السطح بامتصاص الماء من خلال روابط كيميائية قوية، وتتطلب عملية اطلاق الماء مصدر كبير من الطاقة.

أما عملية الامتصاص الفيزيائي، فتتطلب وجود المسامات على السطح لتتجمع عليها جزيئات الماء. أما بالنسبة لموضوع الطاقة، تتطلب عملية الامتصاص الفيزيائي معدلًا أقل من الذي تتطلبه عملية الامتصاص الكيميائي لإنتاج المياه النظيفة.

وبما أن المواد المسامية تساهم في التقاط المياه من الغلاف الجوي، فلا بد لها من توفر مسام فعال ومتكامل، فلا يمكنك أن تضع قطعة من الإسفنج في منطقة صحراوية وتتوقع من المياه أن تتجمع فيها.

ويمكن للهياكل العضوية المعدنية، وهي شبكة من المواد العضوية والمعدنية، التقاط بخار الماء بكل سهولة وإطلاقه باستخدام الطاقة التي تحصل عليها من أشعة الشمس.

مجموعة الخيارات لإنتاج المياه النظيفة

إن الهياكل العضوية المعدنية ليست المادة الوحيدة المستخدمة في جمع المياه، فهناك أيضًا مادة الهيدروجيل ومادة الزيوليت. تعمل الهياكل العضوية المعدنية بشكل فعال في المناطق ذات نسب الرطوبة المنخفضة، إلا أن عدد المسام فيها محدود، فإذا امتلأت مسامات الجهاز لابد من إفراغه لإعادة استخدامه.

الصورة: الذكاء الاصطناعي; مجلة جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا

الجمع بين كل من الضباب والزراعة الرطبة

تحظى دولة الإمارات بجميع العناصر الضرورية لتشكل الضباب كدولة ذات ظروف مناخية صحراوية جافة تقع إلى جانب الخليج العربي حيث الهواء الرطب الذي يحمله نسيم البحر إلى اليابسة ليتم تبريده خلال الليل على سطح تلك اليابسة الصحراوية.
Read more›››

ويجد جزءًا من الضباب طريقه مع الكثبان الرملية في ساعات الصباح الباكرة ويمكن التقاطه عن طريق تكنولوجيات زراعة الضباب المنتشرة. وفي نفس الوقت، تساهم الرطوبة التي تجتاح المنطقة خلال أشهر الحر في تعزيز عملية إنتاج المياه من الغلاف الجوي.

وقد يساهم الجمع بين المنهجيتين في الحد من الاعتماد على عمليات تحلية المياه وتوفير المياه النظيفة لعدد كبير من المزارع في المناطق الصحراوية.
‹‹‹ Read less

وعلى العكس من ذلك، يمكن لمواد الهيدروجيل أن تتمدد لتحميل المزيد من المياه. وتتميز مواد الهيدروجيل بأنها مواد ناعمة ومرنة ودقيقة يمكنها صنع ما يزيد على 90% من العدسات اللاصقة التي يتم وصفها في الولايات المتحدة. وتعتبر مادة الهيدروجيل بوليمرية ثلاثية الأبعاد يمكنها امتصاص كميات كبيرة من الماء مع المحافظة على هيكلها.

وتتكون مواد الهيدروجيل ثلاثية الأبعاد من بوليمرات مائية قادرة على امتصاص الماء مع المحافظة على هيكلها ومرونتها وديناميكيتها، كما تتسم بأنها قابلة للتحلل البيولوجي والأهم من ذلك أيضًا أنها قادرة على احتواء والاحتفاظ بكميات كبيرة من الماء.

دعونا نستخدم مواد الهيدروجيل فقط، بالرغم من أنها ليست الأفضل في المناطق ذات معدلات الرطوبة المنخفضة، فهي فعالة فقط في المناطق شديدة الرطوبة.

ووفقًا لذلك، قد لا تكون مواد الهيدروجيل ملائمة للاستخدام في المناطق الصحراوية في منطقة الشرق الأوسط، لكنها مناسبة للاستخدام في
مجموعة من المناطق ذات نسب رطوبة عالية والتي تعاني من نقص في المياه النظيفة كمدينة ليما في البيرو.

ففي جنوب ليما، توجد قرية اسمها بوجاما التي تصل فيها نسبة الرطوبة في الغلاف الجوي إلى 98% ويغلب على مناخها الطابع الصحراوي ويعيش سكانها في ظروف صعبة نتيجة لشح مصادر المياه النظيفة.

قام باحثون من جامعة الهندسة والتكنولوجيا في ليما بتطوير أجهزة لجمع الرطوبة وتحويلها إلى مياه صالحة للشرب للسكان وتتكون هذه الأجهزة من مصاف ومكثفات وساهمت في إنتاج 96 لترًا من المياه في اليوم الواحد في العام 2013.

وبذلك، نلاحظ أنهم تمكنوا من التوصل لأحد الحلول التي تعالج ندرة المياه النظيفة، ولا يعني ذلك عدم إمكانية الاستفادة من مواد الهيدروجيل في بوجاما.

أما مواد الزيوليت فتعتبر “مصاف جزيئية” نظرًا لقدرتها على انتقاء الجزيئيات بعناية وفقًا لحجمها، وهي مواد سهلة التصنيع وتحظى بمساحة سطح داخلي كبير مليء بالمسامات التي تساهم بامتصاص الكميات الدقيقة من المياه الموجودة في الغلاف الجوي في المناطق الصحراوية، كما تعتبر مواد الزيوليت واحدة من المواد منافسة للمواد التي تعمل بفعالية في المناطق ذات معدلات رطوبة منخفضة.

شارفت المياه على النفاذ وندرك بأن عملية تحلية المياه ليست الحل الأفضل، فالمياه ليست مياه الشرب فقط، وإنما جميع المياه المستخدمة في الصناعة والزراعة.

– مايكل روتمان , الرئيس التنفيذي المشارك في “ووترجن”

تعد الدول ذات المناخات الصحراوية أكثر الدول المستفيدة من تقنية جمع المياه من الغلاف الجوي. الصورة: الذكاء الاصطناعي، مجلة جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا

يمكن لمادة الزيوليت جمع بخار الماء طيلة فترات الليل، كما يمكنها جمع الحرارة من الشمس للاستفادة منها في الحصول على المياه الصالحة للاستخدام البشري. وإذا قمنا بمقارنة الزيوليت بالهياكل العضوية المعدنية ومادة الهيدروجيل، تعتبر سعة المياه في مواد الزيوليت قليلة نسبيًا وإنتاج المياه يتطلب استهلاك كميات كبيرة من الطاقة حتى وإن تم إمدادها بالطاقة الشمسية، الأمر الذي يجعل مواد الزيوليت الخيار الأقل فعالية.

وفي هذا الصدد، من المهم الأخذ بعين الاعتبار اختلاف التكنولوجيات والمنهجيات في المناطق التي تعاني من مشكلة نقص المياه النظيفة وتغير المناخ الذي يزيد من الأمر سوءَا فيها.

تفاقم المشكلة

قال مايكل روتمان الرئيس التنفيذي المشارك في “ووترجن”، وهي شركة تساهم في إنتاج مياه الشرب من الغلاف الجوي ومقرها في إسرائيل “التي يشبه مناخها إلى حد كبير المناخ في دولة الإمارات”. وتعتمد شركة ووترجن على نظام يتكون من مكثفات بوليمرية غير ضارة ومصاف لالتقاط المياه المحيطة بنا من الغلاف الجوي.

يقول مايكل: “يمكن لعملية الامتصاص إنتاج كميات كبيرة من المياه، ويعتمد ذلك على توفر مصدرًا للطاقة أكثر من الاعتماد على المكثفات، وتجري في الوقت الحالي عمليات التطوير على الهياكل العضوية المعدنية لتقوم بالتقاط المياه من الغلاف الجوي دون الحاجة لكميات كبيرة من الطاقة، لكن يجب التركيز على الجزء المعدني من الهياكل العضوية المعدنية”.

تتوفر مياه الغلاف الجوي في كل مكان، لكن يكمن السر في إيجاد الطرق الاقتصادية والتي لا تستهلك طاقة كبيرة لجمعها. .الصورة: الذكاء الاصطناعي، مجلة جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا

يشير مايكل إلى التشابه في آلية العمل ما بين أنظمة تبريد الهواء ونظام شركة ووترجن للتكثيف، حيث تقوم أنظمة تبريد الهواء بسحب الهواء الدافئ من الغلاف الجوي وتبريده وينتج عن تلك العملية ماء. وتم صنع المادة التي تساهم في تغيير درجة الحرارة في المكيفات من المعدن الذي يخرج بدوره مع الماء الناتج من المكيف.

ويضيف مايكل: “لهذا السبب لا يمكنك أن تشرب الماء الناتج عن المكيف، على الرغم من أن أنظمة التكييف تساهم في إنتاج أطنان من المياه لكن هذه المياه ملوثة بالمعادن الثقيلة. وفي هذا الإطار، تقوم أنظمة ووترجن باستخدام بوليمرات غير ضارة تعمل كتكنولوجيا لتغيير درجات الحرارة وبالتالي إنتاج مياه صالحة للشرب بشكل فوري، كما نقوم في الشركة بإضافة بعض المعادن لتحسين جودة المياه”.

لم يهدف تأسيس شركة ووترجن إلى حماية العالم من مشكلة المياه، وإنما تأسست بهدف جعل أجهزة إزالة الرطوبة أكثر فعالية دون استهلاك كبير للطاقة.

وصرح مايكل ميريلاشفيلي، رجل أعمال إسرائيلي من ولاية جورجيا والرئيس الحالي لشركة ووترجن، أنهم بالبداية أضاعوا فرصة الاستفادة من هذه التكنولوجيا وأدرك في الوقت الحالي أهمية هذه البوليمرات عالية الفعالية وأنه يمكن استخدامها في إيجاد الحلول لأكبر المشاكل العالمية، حيث أمضى مايكل السنوات الخمس الأخيرة ومن خلال شركته في التركيز على إنتاج المياه من الغلاف الجوي لتلبية متطلبات جميع الأفراد.

وقد نجح نظامهم في المناطق التي تشهد ارتفاعات في نسب الرطوبة والتي تشمل دولًا مثل كولومبيا وجنوب أفريقيا، كما نجح النظام أيضًا في المناطق شديدة الجفاف كولاية أريزونا في الولايات المتحدة والتي تشهد معدل رطوبة نسبي يصل إلى 38.5%.

يؤكد مايكل روتمان على المستقبل القادم سيشهد إقبالًا كبيرًا في مجال إنتاج المياه من الغلاف الجوي.

ذات صلة: Solar-powered plants could help achieve global water security 

قد تتمكن قارورة مياه كهذه من توفير مياه الشرب لعائلة واحد يومًا ما. الصورة: الذكاء الاصطناعي، جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا

وقال: “شارفت المياه على النفاذ وندرك بأن عملية تحلية المياه ليست الحل الأفضل. فالمياه ليست مياه الشرب فقط، وإنما جميع المياه المستخدمة في الصناعة والزراعة، حيث تستهلك عملية صنع بنطال جينز 160 لتر من المياه و60 لترًا لصناعة رغيف خبز، وجميع هذه المياه المستخدمة في تلك العمليات يمكن استبدالها بمياه مستخلصة من الغلاف الجوي ونحن على مقربة من هذا الحل بمدة تقل عن 10 سنوات لأن تكنولوجياتنا المتقدمة فعالة وقادرة على إثبات فعاليتها في كل مكان”.

وفي سياق الحديث عن توفير المياه لكل الأماكن، لا بد من التفكير في إمكانية النقل. يبدأ مورد المياه التقليدي بمحطة مركزية كبيرة توزع المياه إلى السكان. وإذا كان الجهاز صغير الحجم، فإنه من الممكن دمجه مع المنزل لسد الفجوات في إمدادات المياه.

وإذا كان حجم الجهاز أصغر يمكن نقله إلى جميع المناطق غير الصالحة للسكن والتي تشمل المناطق الصحراوية  والقطبية وكوكب المريخ.

عودة للحلول الواقعية

ساهمت المعاهد البحثية في منطقة الشرق الأوسط في استثمار هذا النوع الجديد من التكنولوجيا. فقد قامت السعودية ممثلة بمدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتكنولوجيا بتمويل العديد من المشاريع الواعدة في الولايات المتحدة، وتشمل مشاريع تم تصميمها على يد عمر ياغي وفريقه، وهو رائد في مجال الهياكل العضوية المعدنية .

وقامت مدينة مصدر، المدينة المتخصصة ببحوث الاستدامة والابتكار في منطقة الشرق الأوسط وشمال إفريقيا، باعتماد هذه التكنولوجيا من خلال مشروع يموله القطاع الصناعي وتشارك فيه جامعة خليفة من خلال بحوثها. .

قال سامويل ماو، مدير معهد مصدر في جامعة خليفة: “يعتبر استخراج المياه من الغلاف الجوي طريقة واعدة للتغلب على مشكلة نقص المياه النظيفة التي أصبحت تحديًا عالميًا، وذلك من خلال الاستعانة بتكنولوجيات مبتكرة متخصصة بإنتاج المياه من الغلاف الجوي. ويقوم فريق جامعة خليفة البحثي في معهد مصدر بتقييم شامل لمختلف الطرق التكنولوجية المتخصصة بإنتاج المياه من الغلاف الجوي وتطوير التكنولوجيات المتقدمة التي تمكن من عملية استخلاص المياه من الهواء دون هدر للطاقة وبتكلفة اقتصادية مناسبة.

ووفقًا لمنظمة الصحة العالمية، يعاني معظم سكان كوكب الأرض من ظروف تهدد بنقص المياه، لا سيما مع تزايد الطلب عليها بشكل كبير وثبات مصدر الإمداد.

وتؤكد وكالة الأمم المتحدة على أن الحصول على مياه نظيفة وخدمات الصرف الصحي هما جوهر عملية التطوير المستدام وضمان تحقيق ذلك يتطلب مزيدًا من الابتكار. وقد يكون الحل هو استخلاص المياه من الغلاف الجوي، وهو في متناول أيدينا.