سیستم انتقال آب ضد جاذبه با الهام گرفتن از درختان

حرکت موثر آب به سمت بالا در برابر گرانش یک شاهکار بزرگ مهندسی بشر است، که درختان برای صدها میلیون سال بر آن تسلط داشته اند.

در یک مطالعه جدید، محققان یک سیستم انتقال آب با الهام از درخت طراحی کرده اند که از نیروهای مویرگی برای هدایت آب کثیف از طریق یک آئروژل ( ماده ای که از تعلیق حباب های کوچک گاز در مایعات یا جامدات به دست می آید) با ساختار سلسله مراتبی به سمت بالا استفاده می کند، جایی که می‌تواند توسط انرژی خورشیدی به بخار تبدیل شود تا آب تازه و تمیز تولید کند.

محققان به سرپرستی Aiping Liu در دانشگاه علم فناوری ژجیانگ و هائو بای در دانشگاه ژجیانگ، مقاله‌ای در مورد روش جدید انتقال آب و تولید بخار خورشیدی در شماره اخیر ACS Nano منتشر کرده‌اند. در آینده، روش‌های کارآمد حمل و نقل آب کاربردهای بالقوه‌ای در تصفیه و نمک‌زدایی آب خواهند داشت.

لیو گفت: “روش آماده سازی ما جهانی است و می تواند صنعتی شود.”

“مواد ما خواص عالی و پایداری خوبی دارند و می توانند بارها مورد استفاده مجدد قرار گیرند و همچنین این امکان را برای نمک زدایی و تصفیه فاضلاب در مقیاس بزرگ در آینده فراهم می کند.”

سیستم جدید از دو جزء اصلی تشکیل شده است: یک آئروژل طولانی، متخلخل و فوق سبک برای انتقال آب و یک لایه نانولوله کربنی در بالای آئروژل برای جذب نور خورشید و تبدیل آب به بخار.

این سیستم در یک ظرف شیشه ای محصور شده است. آب از طریق منافذ موجود در آئروژل به دلیل نیروهای مویرگی که در اثر چسبندگی بین مولکول های آب و سطح داخلی منافذ ایجاد می شود، به سمت بالا حرکت می‌کند.

هنگامی که آب به بالا می رسد، لایه نانولوله کربنی گرم شده با خورشید، آب را به بخار گرم می‌کند و هر گونه آلودگی را پشت سر می‌گذارد.

در نهایت بخار در طرفین ظرف شیشه ای اطراف متراکم می شود و قطرات آب را تشکیل می‌دهد که به سمت پایین ظرف به یک مخزن برای جمع آوری جریان می یابد.

این طرح بسیار شبیه به طرحی است که گیاهان استفاده می کنند.

گیاهان حاوی تعداد زیادی آوند چوبی کوچک هستند که آب را از طریق شاخه‌ها و برگ‌های خود از زمین به بالا می‌کشند حتی گاهی اوقات تا صدها فوت در هوا ادامه میابد.

هنگامی که آب به برگ‌ها می‌رسد، تشعشعات خورشیدی باعث تبخیر آب از طریق منافذ ریز در برگ‌ها می‌شود که شبیه به مولد بخار خورشیدی کربنی است.

بازسازی یک سیستم حمل و نقل آب کارآمد مانند درخت چالش برانگیز بوده است، به طوری که اکثر تلاش های قبلی سرعت حمل و نقل نسبتاً آهسته، مسافت های کوتاه حمل و نقل و کاهش عملکرد هنگام انتقال فاضلاب و آب دریا را در مقایسه با آب تمیز نشان می‌دهند.

با طراحی جدید آئروژل، محققان پیشرفت‌هایی را در تمام این زمینه ها نشان دادند و عملکرد جریان رو به بالا 10 سانتی متر در 5 دقیقه اول و 28 سانتی متر پس از 3 ساعت به دست آوردند.

این سیستم همچنین با آب تمیز، آب دریا، فاضلاب و آب های زیرزمینی شنی به خوبی کار می‌کند.

علاوه بر این، کلکتور(گردآورنده) حرارتی کربن بازده تبدیل انرژی بالایی را تا 85٪ به دست می آورد.

کلید تکامل و پیشرفت، طراحی دقیق معماری آئروژل بود. برای ساختن این ماده، محققان مواد آئروژل را در یک لوله مسی ریختند و سپس آن را تحت یک تغییرات دمایی قرار دادند که در آن انتهای سرد لوله 90 درجه سانتیگراد سرد بود و این باعث شد که کریستال‌های یخ به صورت الگویی در داخل آئروژل در امتداد تغییرات دما رشد کنند.

پس از خشک کردن انجماد لوله، آئروژل به دست آمده ساختاری سلسله مراتبی با کانال های هم تراز شعاعی، منافذ با اندازه میکرو، سطوح داخلی چروکیده و شبکه‌های مولکولی را نشان داد و در نهایت این ساختارهای کوچک همگی به عملکرد خوب آئروژل کمک کردند.

در آینده، محققان قصد دارند عملکرد سیستم را بیشتر بهبود بخشند تا برای برنامه‌های کاربردی آماده شوند.

لیو گفت: “ما امیدواریم که طرح آزمایشی را بیشتر بهینه کنیم و تولید در مقیاس بزرگ انجام دهیم.”

ما همچنین امیدواریم طول انتقال آب، سرعت انتقال آب و کارایی جمع آوری آب را بهبود بخشیم تا بتوانیم کاربردهای عملی را بهتر انجام دهیم.

لینک مفید:آبی که هرگز یخ نمی‌زند!

بیشتر بدانید:تصفیه آب با کمک چوب، باکتری و خورشید

بیشتر بخوانید:نانوفیلتر نوید دسترسی سریع به آب تمیز را می دهد

تاریخ:1403/8/21

مهسانعمتی