استحصال ترمودینامیکی آب در اقلیم های خشک: رویکردهای نوین در مهندسی مواد و سرمایش تابشی
بحران تنش آبی در فلات ایران و مناطق خشک جهان، پارادایم های سنتی مدیریت منابع آب را به چالش کشیده است. روش های معمول استحصال آب از رطوبت جوی (مانند چگالش فعال) در رطوبت های نسبی پایین (زیر ۳۰ درصد) توجیه اقتصادی و ترمودینامیکی ندارند. این نوشتار به بررسی فناوری های نسل سوم شامل چارچوب های فلزی-آلی (MOFs) و سامانه های سرمایش تابشی غیرفعال (PDRC) می پردازد. با بهره گیری از اصول انتقال حرارت و جرم در مهندسی هوافضا و مدل سازی های ریاضی جذب سطحی، راهکارهایی برای تولید پایدار آب در مناطق بیابانی ارائه می گردد.
در مناطق کویری ایران (نظیر دشت لوت یا کویر مرکزی)، چگالش رطوبت هوا با روش های تبریدی معمول، نیازمند رساندن دمای هوا به زیر «نقطه شبنم» (Dew Point) است. در شرایطی که دمای محیط بیش از ۳۵ درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی زیر ۲۰ درصد باشد، نقطه شبنم بسیار پایین خواهد بود. انرژی لازم برای غلبه بر گرمای نهان تبخیر و کاهش دما، بر اساس رابطه آنتالپی، به صورت نمایی افزایش می یابد. لذا رویکرد مهندسی باید از «تراکم مبتنی بر دما» به «جذب مبتنی بر شیمی سطح» و «دفع حرارت تابشی» تغییر یابد.
فناوری MOFs انقلابی در علم مواد محسوب می شود. این ساختارها بلورهای متخلخلی هستند که مساحت سطح داخلی آن ها می تواند به چندهزار متر مربع در هر گرم برسد. برخلاف سیلیکاژل که نیازمند انرژی حرارتی بالا برای احیا است، MOFهای مهندسی شده (مانند MOF-801 یا MOF-303) دارای ایزوترم پله ای هستند و می توانند حتی در رطوبت ۱۰ درصد، بخار آب را به دام انداخته و با گرمای طبیعی خورشید آزاد کنند.
۲-۱. مدل سازی ریاضی جذب
برای پیش بینی رفتار این مواد در شرایط کویری، از مدل های ایزوترم لانگمویر اصلاح شده استفاده می شود. فرمولاسیون ریاضی حاکم بر کسر اشغال حفرات (تتا) به صورت خطی زیر بیان می شود:
θ(P, T) = [χ(T) . P] / [1 + χ(T) . P]
که در آن P فشار جزئی بخار آب و «خی» یا χ(T) ثابت تعادل جذب وابسته به دما است که از رابطه وانت-هوف پیروی می کند:
χ(T) = χ₀ . exp( -ΔH_ads / R.T )
پارامترها:
- ΔH_ads: آنتالپی جذب (بیانگر قدرت پیوند مولکول آب با سطح حفره).
- R: ثابت جهانی گازها.
- تحلیل مهندسی: هنر مهندسی در طراحی MOF، بهینه سازی آنتالپی جذب است؛ به گونه ای که پیوند آنقدر قوی باشد که آب را از هوای خشک جذب کند، اما نه آنقدر قوی که برای آزادسازی آب به انرژی بالایی نیاز باشد.
یکی از چالش های اصلی در مهندسی هوافضا، دفع حرارت فضاپیماها در خلا است که تنها از طریق تابش امکان پذیر می باشد. این اصل فیزیکی اکنون برای تولید آب در زمین به کار گرفته می شود. جو زمین در پنجره طیفی ۸ تا ۱۳ میکرومتر (LWIR) تقریبا شفاف است. اگر سطحی طراحی شود که تابش حرارتی آن دقیقا در این طول موج باشد، می تواند حرارت را مستقیما به فضای سرد کیهان (با دمای ۳ کلوین) بفرستد.
۳-۱. موازنه انرژی سطح تابش گر
معادله حاکم بر توان خالص سرمایش (P_cool) در واحد سطح عبارت است از:
P_cool(T) = P_rad(T) - P_atm(T_amb) - P_sun - P_non-rad
پارامترها:
- P_rad: توان تابشی سطح جسم سیاه طبق قانون استفان-بولتزمن.
- P_sun: میزان جذب تابش خورشیدی (که باید با استفاده از پوشش های نانوذرات دی الکتریک به حداقل برسد).
- P_atm: تابش اتمسفریک که توسط سطح جذب می شود.
کاربرد عملیاتی: استفاده از این پنل ها در مناطق بیابانی ایران باعث می شود سطح کندانسور بدون نیاز به برق، تا ۵ الی ۱۰ درجه سانتی گراد خنک تر از دمای محیط شده و رطوبت هوا را تقطیر نماید.
با الهام از سوسک های صحرای نامیب، سطوح جمع آوری کننده آب به صورت ترکیبی از نواحی آب دوست (Hydrophilic) برای هسته زایی قطره و آب گریز (Hydrophobic) برای انتقال قطره طراحی می شوند.
۴-۱. فرمولاسیون زاویه تماس و هیسترزیس
کارایی این سطوح با معادله یانگ-لاپلاس و زاویه تماس (تتا_c) سنجیده می شود:
cos(θ_c) = (γ_sg - γ_sl) / γ_lg
برای انتقال سریع قطره بدون نیاز به نیروی خارجی (پمپ)، باید پدیده «چسبندگی پینینگ» (Pinning) به حداقل برسد. نیروی لازم برای شروع حرکت قطره (F) به تقریب برابر است با:
F ≈ w . γ_lg . [ cos(θ_rec) - cos(θ_adv) ]
که در آن θ_adv و θ_rec به ترتیب زوایای تماس پیشروی و پسروی هستند. مهندسی نانوساختار سطح باید تفاضل این دو زاویه (هیسترزیس) را به سمت صفر میل دهد.
به عنوان یک طرح مهندسی، آگاهی از بسترهای قانونی جهت پیاده سازی این تکنولوژی ها در مقیاس صنعتی الزامی است:
۱. قوانین داخلی (ایران): بر اساس «قانون توزیع عادلانه آب» (مصوب ۱۳۶۱)، منابع آب های سطحی و زیرزمینی جزو مشترکات بوده و در اختیار حکومت اسلامی است. با این حال، در خصوص «استحصال رطوبت جوی» خلاء قانونی وجود دارد. این سکوت قانونی فرصتی استراتژیک برای بخش خصوصی و دانش بنیان است. همچنین استاندارد ملی ایران شماره ۱۰۵۳ (آب آشامیدنی) باید لحاظ گردد.
۲. مقررات بین المللی: در حقوق بین الملل آب، هنوز کنوانسیونی مبنی بر مالکیت رطوبت هوا وجود ندارد. اما بر اساس اصول کلی «عدم آسیب رسانی به غیر» (No-harm rule)، پروژه های عظیم نباید بر میکرواقلیم کشورهای همسایه تاثیر منفی بگذارد.
تلفیق دانش ریاضیات (در مدل سازی جذب)، هوافضا (در مدیریت حرارت تابشی) و نانوتکنولوژی، افق جدیدی را در تامین امنیت آبی مناطق خشک می گشاید. گذار از سیستم های انرژی بر به سیستم های غیرفعال مبتنی بر خواص مواد، نه تنها یک انتخاب مهندسی، بلکه یک ضرورت زیست محیطی و استراتژیک برای آینده ایران است.
با آرزوی موفقیت
#بحران_آب #نانوتکنولوژی #مهندسی #محیط_زیست #محمدرضا_زاهدی