روش کارآمد حل بحران جهانی آب با استفاده از حکاکی لیزری

۰۷ آبان ۱۳۹۹/دانستنی‌های لیزر/دیدگاه‌ها بسته هستند

روش کارآمد حل بحران جهانی آب با استفاده از حکاکی لیزری

حجم آب موجود در زمین ۱.۴ میلیارد کیلومتر مربع تخمین زده شده که از این میزان ۹۷.۵ درصد آب شور و حدود ۲.۵ درصد آب شیرین است. بررسی میزان موجودی آب در کشورها در گذشته و پیش بینی سرانه آن در آینده، وضعیت هشدار دهنده‏ای را نشان می‏دهد. افزایش جمعیت و نیاز به منابع آب شرب، بهداشت و تهیه غذا، تغییرات اقلیمی ‌‌و گرم شدن کره زمین و به تبع آن کاهش منابع آب شیرین و بالاخره آلودگی آب را می‏توان دلایل عمده کاهش منابع آب عنوان کرد. امروزه عدم دسترسی به آب تمیز و مقرون به صرفه مانعی بزرگ برای توسعه و سلامت 30 درصد از جمعیت جهان است. اگرچه بعضی از مناطق به آب دسترسی دارند، اما این آب قابل اطمینان و آشامیدنی نیست. برای جلوگیری از یک بحران جهانی باید به دنبال پیدا کردن راه‌هایی برای استفاده بهتر از آب بود. بازیافت فاضلاب خانگی و صنعتی یک راه حل عملی و مقرون به صرفه برای کاهش تنش بر منابع آب زیرزمینی و هزینه‌‌های واردات آب است. این بازیافت باید با مواد کم هزینه بوده و نگهداری کم نیاز داشته باشد و برای انواع آلاینده‌‌ها قابل استفاده باشد. به روشی مشابه چرخه باران، می‌‌توان با استفاده از انرژی خورشیدی برای تبخیر آب و متراکم شدن بخار و تبدیل آن به آب آشامیدنی، فاضلاب را کاملاً تصفیه کرد. سیستم‌های تبخیر آب خورشیدی – حرارتی به یک جاذب خورشیدی نیاز دارند که نور جذب شده را به گرما تبدیل کرده تا آب تبخیر شود.

محققان دانشگاه روچستر اکنون با استفاده از نور خورشید (منبعی که همه می‌‌توانند به آن دسترسی داشته باشند) راهی برای رفع این مشکل پیدا کرده‌اند تا آب آلوده را با بازدهی بیش از 100 درصد تبخیر و تصفیه کنند. آنها از نور خورشید و تاباندن لیزر به یک سطح فلزی استفاده می‌کنند. این روش می‌تواند به رفع کمبود آب در مناطق آسیب دیده از خشکسالی و در پروژه‌‌های نمک‌‌زدایی آب کمک کند.

در مقاله‌‌ای که در nature به چاپ رسیده است، محققان در آزمایشگاه گوو[1] (چانلی گوو رئیس دانشکده علوم فیزیك و مواد دانشگاه روچستر است) نشان دادند که چگونه انفجار یک پالس لیزر فمتوثانیه‌‌ای، سطح یک ورق آلومینیوم را به یک ماده فوق جاذب آب و ماده فوق جاذب انرژی (SWSA)[2] تبدیل می‌کند. سطح این ماده هنگامی‌‌ که در آب و در زاویه مناسبی رو به خورشید قرار می‌‌گیرد:

– یک لایه نازک از آب روی سطح فلز می‌‌کشد.

– تقریباً 100 درصد انرژی جذب شده از خورشید را برای گرم کردن سریع آب استفاده می‌‌کند.

– به طور همزمان، پیوندهای بین مولکولی آب شکسته شده و به طور قابل توجهی بهره‌‌وری فرآیند تبخیر را بالا می‌‌برد.

این سه مورد در كنار هم این فناوری را قادر می‏سازد تا بهتر از یك دستگاه ایده آل با كارایی 100 درصدی كار كند. به‌ این ترتیب این یک روش ساده، بادوام و ارزان برای پرداختن به بحران جهانی آب، به ویژه در کشورهای در حال توسعه است. این فناوری می‌‌تواند برای رفع کمبود آب در مناطق آسیب دیده از خشکسالی و برای پروژه‌‌های نمک‌‌زدایی آب نیز مفید باشد.

آزمایش‌‌های انجام شده در آزمایشگاه نشان می‌‌دهد که این روش باعث کاهش میزان آلودگی‌‌های رایج مانند مواد شوینده‌‌، رنگ‏ها، ادرار، فلزات سنگین و گلیسیرین به میزان ایمن برای نوشیدن می‌‌شود.

مدت هاست که استفاده از نور خورشید برای جوشاندن آب به عنوان راهی برای از بین بردن عوامل بیماری زای میکروبی و کاهش مرگ و میر ناشی از عفونت‌‌های اسهالی شناخته شده است. اما جوشاندن آب باعث از بین رفتن فلزات سنگین و سایر آلاینده‌‌ها نمی‌‌شود.

با این وجود، تصفیه آب با استفاده از خورشید می‌‌تواند این آلودگی‌‌ها را تا حد زیادی کاهش دهد، زیرا وقتی آب تبخیر می‌‌شود، تقریباً تمام ناخالصی‌‌ها در ظرف به جا می‌‌ماند، سپس بخار آب متراکم شده و جمع آوری می‌شود.

متداول‌‌ترین روش تبخیر آب مبتنی بر خورشید، گرم کردن محفظه‌ای حجیم از آب است که در آن حجم زیادی از آب برای گرم شدن جا می‏شود اما فقط لایه بالایی آن می‌‌تواند تبخیر شود. اما این روش کاملاً ناکارآمد است، زیرا فقط بخش کوچکی از انرژی گرمایشی مصرف می‏شود.

یک روش کارآمدتر به نام گرمایش سطحی وجود دارد که در آن، مواد چند لایه جاذب شناور را روی سطح آب قرار می‏دهند به طوری که فقط آب نزدیک به سطح نیاز به گرم شدن داشته باشد. اما مواد موجود همه باید به صورت افقی در بالای آب شناور باشند و همه آنها نمی‏توانند مستقیماً رو به خورشید قرار بگیرند. بنابراین، این روش از نظر بازده انرژی روشی نامناسب است. به‌علاوه، مواد جاذب موجود به سرعت با آلودگی‌‌هایی که پس از تبخیر باقی مانده‌‌اند مسدود می‌‌شوند و این مواد نیاز به تعویض مکرر دارند.

پنل تولید شده توسط آزمایشگاه گوو با بالا کشیدن یک لایه نازک از آب مخزن و قرار دادن آن مستقیماً بر روی سطح جاذب، برای گرم شدن و تبخیر، از این ایرادات جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، از آنجا که از یک سطح شیاردار استفاده می‌‌کند، تمیز کردن آن با یک اسپری ساده نیز امکان پذیر است.

بزرگترین مزیت این روش این است كه می‌‌توان زاویه پنلها را به طور مداوم تنظیم كرد تا از هنگام طلوع تا غروب مستقیماً رو به خورشید باشند و این یعنی حداكثر جذب انرژی خورشید توسط این پنل‌‌ها که تاکنون در دنیا بی سابقه بوده است.

شکل 1- a، تبخیر آب با نور خورشید به روش سنتی که با استفاده از گرمایش حجمی یا کف انجام می‌شود. برای شکلهای a تاd ، پیکان‌های زرد نور خورشید را نشان می‌دهند. b، گرمایش سطحی با استفاده از نور خورشید و با استفاده از مواد جاذب نور، این روش بازده تبخیر آب را به حداکثر می‌رساند.c ، گرمایش سطحی با استفاده از یک سطح SWSA اطمینان می‌دهد که آب حتی اگر دستگاه به صورت افقی شناور نباشد به جذب کننده نور خورشید منتقل می‌‌شود و اتلاف گرما را به حداقل می‌‌رساند و سیستم را در هر زاویه ای قابل تنظیم می‌‌کند تا مستقیماً رو به خورشید باشد. d شماتیک مقایسه یک ورق SWSA (چپ) و یک سطح جاذب افقی معمولی (راست). e، در طول زمان فاضلاب سبب بسته شدن و گرفتگی مواد جاذب پیشین می‌‌شد (چپ). در مقابل، با استفاده از معماری مویرگی باز و حالت شیار‌‌دارSWSA ، سطح جاذب نور می‌‌تواند به راحتی با استفاده از پاشش آب تمیز شود و مجدداً مورد استفاده قرار گیرد (راست).

این پروژه با بودجه بنیاد بیل و ملیندا گیتس، بنیاد ملی علوم و دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده پشتیبانی شده است.

یکی از دلایل علاقه‌مندی ارتش ایالات متحده به این پروژه این است که فناوری‌‌های پیشرفته برای تولید آب آشامیدنی سالم سبب کاهش هزینه مالی و کاهش نگرانی برای تامین آب آشامیدنی کشتی‌‌های جنگی و سربازان در دریا می‌‌شود.

آزمایشگاه گوو علاوه بر استفاده از فناوری حکاکی روی سطوح با لیزر فمتو ثانیه برای ایجاد فلزات فوق آبگریز (دافع آب)، فوق آب دوست (جاذب آب) و مواد فوق جاذب انرژی، با این روش ساختارهای فلزی ایجاد کرده است که می‌‌توانند مدتها به دور از خوردگی و آسیب در آب باشند.

قبل از ایجاد فلزات جذب کننده و دفع کننده آب، گوو و دستیارش، آناتولی وروبیف[3]، نشان دادند که با استفاده از پالس‌‌های لیزر فمتوثانیه تقریباً هر فلزی را می‌‌توان سیاه کرد. یعنی ساختارهای سطحی ایجاد شده روی فلز به طور باور نکردنی در گرفتن هر نوع تابش ورودی از جمله نور فعال می‌‌شوند. آنها نور را در طیف وسیعی از طول موج ها جذب کردند. پس از این کار تیم وی از روندی مشابه برای تغییر رنگ فلزات به رنگ‌های مختلف مانند آبی، طلایی و خاکستری استفاده کرد که کاربرد آن می‌‌تواند شامل ساخت فیلترهای رنگی و دستگاه‌های طیف سنج نوری باشد. همچنین با استفاده از این روش با یک لیزر در کارخانه‌های اتومبیل سازی می‌‌توان اتومبیل‌هایی با رنگ‌‌های مختلف تولید کرد یا زیورآلاتی با رنگ‌‌های خاص ایجاد نمود.
این آزمایشگاه همچنین از تکنیک فلز سیاه و رنگی برای ایجاد یک آرایه منحصر به فرد از ساختارهای با مقیاس نانو و میکرو در سطح یک رشته تنگستن معمولی استفاده کرده که باعث می‌‌شود که یک لامپ معمولی با همان انرژی مصرفی درخشش بیشتری داشته باشد.

شکل 2- از سمت چپ، آلومینیوم به رنگ طلایی، تیتانیوم به رنگ آبی و پلاتین به طلایی تبدیل شده است. به انتخاب دکتر گوو هرچه که برق می‌‌زند، طلا نیست و می‌‌تواند آلومینیوم باشد یا تنگستن یا هر فلز دیگری.