جهاز بالموجات فوق الصوتية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يهز مياه الشرب من الهواء الرقيق

مع طور المهندسون جهازًا بالموجات فوق الصوتية يطلق الماء بسرعة من المواد الماصة المستخدمة في الحصاد الجوي.

ومن خلال هز جزيئات الماء لتحريرها بدلاً من تسخينها، يعزز النظام الكفاءة بشكل كبير. مدعومًا بخلية شمسية صغيرة، يمكنه تشغيل دورات متعددة يوميًا. يمكن لهذا التقدم أن يجعل أنظمة مياه الشرب التي تعمل بالطاقة الهوائية خارج الشبكة أكثر عملية بكثير.

الاستفادة من الهواء لحصاد المياه

هل تشعر بالعطش؟ قد يكون من الممكن سحب مياه الشرب مباشرة من الهواء. حتى الأماكن شديدة الجفاف لا تزال تحتفظ بآثار صغيرة من الرطوبة التي يمكن للمواد المناسبة التقاطها وإطلاقها كمياه نظيفة صالحة للشرب. وفي السنوات القليلة الماضية، ابتكر الباحثون العديد من المواد الشبيهة بالإسفنج القادرة على “تجميع المياه في الغلاف الجوي”.

ومع ذلك، فإن استعادة المياه المجمعة من هذه المواد تتطلب عادةً الحرارة والصبر. تعتمد معظم الأنظمة على ضوء الشمس لتدفئة المادة حتى تتبخر الرطوبة المحتبسة وتتكثف إلى شكل سائل، وهي عملية يمكن أن تستمر لساعات أو حتى أيام.

يقدم مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن طريقة لتسريع خطوة الاسترداد هذه. وبدلاً من الاعتماد على ضوء الشمس لإخراج الماء، يستخدم الفريق اهتزازات فوق صوتية تهز الرطوبة فعليًا.

الموجات فوق الصوتية: طريق أسرع لاستعادة المياه

صمم الباحثون جهازًا بالموجات فوق الصوتية ينتج اهتزازات عالية التردد. عندما يتم وضع مادة ماصة للماء، تسمى “المادة الماصة”، في الأعلى، يصدر الجهاز موجات فوق صوتية تم ضبطها لتفكيك جزيئات الماء من المادة الماصة. ووفقا لاختبارات الفريق، يستخرج الجهاز الرطوبة في دقائق معدودة فقط بدلا من عشرات الدقائق أو الساعات اللازمة للطرق المعتمدة على الحرارة.

ولأنه لا يستخدم الحرارة، يحتاج الجهاز إلى مصدر خارجي للطاقة. يقترح الفريق أن خلية شمسية صغيرة يمكنها تشغيل النظام وتعمل أيضًا كجهاز استشعار يرسل إشارة عندما تصل المادة الماصة إلى طاقتها الكاملة. يمكن أيضًا برمجة الإعداد للتنشيط تلقائيًا عندما يكون هناك ما يكفي من الماء جاهزًا لتجميعه. مع مثل هذه الأتمتة، يمكن للنظام

تشغيل وأتمتة أنظمة المياه بالموجات فوق الصوتية

تقول سفيتلانا بوريسكينا، عالمة الأبحاث الرئيسية في قسم الهندسة الميكانيكية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “كان الناس يبحثون عن طرق لحصاد المياه من الغلاف الجوي، والتي يمكن أن تكون مصدرًا كبيرًا للمياه خاصة للمناطق الصحراوية والأماكن التي لا توجد فيها مياه مالحة لتحليةها”. “الآن لدينا طريقة لاستعادة المياه بسرعة وكفاءة.”

تصف بوريسكينا وزملاؤها جهازهم في دراسة نشرت اليوم (18 نوفمبر) في اتصالات الطبيعة. المؤلف الأول لهذه الورقة هو إكرا افتخار شوفو، وهو طالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في فنون وعلوم الإعلام، إلى جانب كارلوس دياز مارين، ومارفن كريستين، ومايكل ليربيت، وكريستوفر ليم.

فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وراء الاختراق

تركز مجموعة بوريسكينا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على المواد التي تتفاعل مع محيطها بطرق مبتكرة. اكتشف الفريق مؤخرًا عملية تجميع المياه في الغلاف الجوي (AWH) وكيف يمكن هندسة المواد لسحب الرطوبة من الهواء. إذا كانت هذه الأنظمة موثوقة، فمن الممكن أن تساعد بشكل كبير المجتمعات التي لديها قدرة محدودة على الوصول إلى مياه الشرب – والتي تفتقر حتى إلى خيارات المياه المالحة لتحلية المياه.

مثل العديد من الباحثين، افترضت مجموعة بوريسكينا في البداية أن نظام AWH المنتشر في الهواء الطلق سيجمع الرطوبة في الليل ثم يعتمد على ضوء الشمس أثناء النهار لتبخير المياه المحاصرة بشكل طبيعي والسماح لها بالتكثيف لتجميعها.

يوضح بوريسكينا: “إن أي مادة جيدة جدًا في احتجاز المياه لا تريد التخلص من تلك المياه”. “لذلك تحتاج إلى بذل الكثير من الطاقة وساعات ثمينة لسحب المياه من المادة.”

التحدي العنيد لاستخراج الرطوبة

أدركت أنه يمكن أن تكون هناك طريقة أسرع لاستعادة المياه بعد انضمام إيكرا شوفو إلى مجموعتها. كان شوفو يعمل باستخدام الموجات فوق الصوتية لتطبيقات الأجهزة الطبية التي يمكن ارتداؤها. وعندما فكر هو وبوريسكينا في أفكار لمشاريع جديدة، أدركا أن الموجات فوق الصوتية يمكن أن تكون وسيلة لتسريع خطوة التعافي في حصاد المياه في الغلاف الجوي.

تتذكر بوريسكينا قائلة: “لقد نجح الأمر: لدينا هذه المشكلة الكبيرة التي نحاول حلها، والآن يبدو أن إيكرا لديه أداة يمكن استخدامها لحل هذه المشكلة”.

كيف تهز الموجات فوق الصوتية المياه الحرة

الموجات فوق الصوتية، أو الموجات فوق الصوتية، هي موجات ضغط صوتية تنتقل بترددات تزيد عن 20 كيلو هرتز (20000 دورة في الثانية). مثل هذه الموجات عالية التردد غير مرئية أو مسموعة للبشر. وكما وجد الفريق، فإن الموجات فوق الصوتية تهتز بالتردد المناسب تمامًا لإزالة الماء من المادة.

يقول شوفو: “باستخدام الموجات فوق الصوتية، يمكننا بدقة كسر الروابط الضعيفة بين جزيئات الماء والمواقع التي تتواجد فيها”. “يبدو الأمر كما لو أن الماء يرقص مع الأمواج، وهذا الاضطراب المستهدف يخلق زخمًا يطلق جزيئات الماء، ويمكننا رؤيتها وهي تهتز على شكل قطرات.”

صمم شوفو وبوريسكينا مشغلًا جديدًا بالموجات فوق الصوتية لاستعادة المياه من مادة تجميع المياه في الغلاف الجوي. قلب الجهاز عبارة عن حلقة سيراميك مسطحة تهتز عند تطبيق الجهد الكهربائي. هذه الحلقة محاطة بحلقة خارجية مرصعة بفوهات صغيرة. يمكن لقطرات الماء التي تهتز من المادة أن تسقط من خلال الفوهة وفي أوعية التجميع المرفقة أعلى وأسفل الحلقة الاهتزازية.

تصميم جهاز إطلاق الماء عالي التردد

لقد اختبروا الجهاز على مادة مصممة مسبقًا لتجميع المياه الجوية. وباستخدام عينات ربع حجمها من المادة، وضع الفريق أولًا كل عينة في غرفة رطوبة، مع ضبطها على مستويات رطوبة مختلفة. بمرور الوقت، امتصت العينات الرطوبة وأصبحت مشبعة. ثم وضع الباحثون كل عينة على مشغل الموجات فوق الصوتية وقاموا بتشغيلها حتى تهتز عند ترددات الموجات فوق الصوتية. وفي جميع الحالات، كان الجهاز قادرًا على التخلص من كمية كافية من الماء لتجفيف كل عينة في دقائق معدودة فقط.

اختبار المحرك في ظروف واقعية

ويقدر الباحثون أنه مقارنة باستخدام الحرارة الشمسية، فإن تصميم الموجات فوق الصوتية أكثر كفاءة بمقدار 45 مرة في استخراج المياه من نفس المادة.

يقول بوريسكينا، الذي يتصور أن النظام المنزلي العملي قد يتكون من مادة سريعة الامتصاص ومشغل بالموجات فوق الصوتية، كل منهما بحجم النافذة: “إن جمال هذا الجهاز هو أنه مكمل تمامًا ويمكن أن يكون إضافة لأي مادة ماصة تقريبًا”. بمجرد تشبع المادة، سيتم تشغيل المشغل لفترة وجيزة، مدعومًا بخلية شمسية، للتخلص من الماء. وستكون المادة جاهزة بعد ذلك لجمع المزيد من المياه، في دورات متعددة طوال يوم واحد.

نحو إنتاج مياه يومي عملي وعالي الدورة

وتقول: “الأمر كله يتعلق بكمية المياه التي يمكنك استخراجها يوميًا”. “باستخدام الموجات فوق الصوتية، يمكننا استعادة المياه بسرعة، وإعادة تدويرها مرارًا وتكرارًا. ويمكن أن يضيف ذلك الكثير يوميًا.”

المرجع: “تجميع المياه الجوية بكفاءة عالية عن طريق الاستخراج بالموجات فوق الصوتية” 18 نوفمبر 2025، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-025-65586-2

تم دعم هذا العمل جزئيًا من قبل مختبر عبد اللطيف جميل لأنظمة المياه والغذاء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وصندوق زوكرمان للعلوم والتكنولوجيا التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في إسرائيل.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.