علمی، پژوهشی و فناوری

حباب‌های ریزی که به اندازه یک شهر، برق ذخیره می‌کنند

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : کاهش منابع آبی و رشد مصرف انرژی، زنگ خطر جدی برای پایداری کشور است. در چنین شرایطی، استفاده از فناوری‌های نو برای بهره‌وری بیشتر، یک ضرورت است نه انتخاب.

بر اساس آماری که از سوی وزارت نیرو اعلام شده است، میزان مصرف سالانه آب در کشور حدود ۱۰۰ میلیارد مترمکعب برآورد می‌شود. از این میزان، تقریباً ۹۰ درصد در بخش کشاورزی، ۶ درصد در بخش آب شرب، و باقی‌مانده در بخش صنعت مصرف می‌شود.

ضرورت ورود فناوری به مسئله آب و انرژی

مسئله‌ اساسی دیگری که وجود دارد این است که چرا موضوع ناترازی آب و انرژی امروزه به یک بحران ملی و جهانی تبدیل شده است. 

در بخش آب، برای تولید، پمپاژ، تصفیه و توزیع آب در شبکه، نیازمند مصرف انرژی هستیم. همچنین در بخش انرژی نیازمند مصرف آب هستیم مثل نیروگاه‌ها، مثل کشاورزی، مثل صنایع و دو موضوع آب و انرژی کاملا به هم وابسته اند.

در کشورهایی مانند ایران که با کمبود منابع آبی و انرژی مواجه هستند، این ناترازی به‌مرور تشدید می‌شود؛ به این معنا که شدت آن به‌تدریج افزایش می‌یابد. اگر در این مرحله راه‌حل‌های فناورانه برای کاهش مصرف انرژی در فرآیند تصفیه آب و همچنین بهینه‌سازی مصرف آب در بخش صنعت معرفی نشوند، بدون تردید امنیت غذایی، امنیت انرژی و حتی سلامت عمومی جامعه می‌تواند با تهدیدهای جدی مواجه شود.

نوآوری در دل بحران؛ وقتی فناوری به کمک آب و انرژی می‌آید

این روزها که با بحران ناترازی انرژی و کمبود آب، به‌عنوان یکی از جدی‌ترین چالش‌های کشور، مواجه هستیم، برخی اخبار امیدوارکننده در زمینه فناوری‌های نوین منتشر شده است. از جمله این فناوری‌ها می‌توان به فناوری نانوحباب اشاره کرد که می‌تواند هم در کاهش مصرف آب مؤثر باشد و هم در کاهش مصرف برق نقش بسزایی ایفا کند.حباب‌هایی نامرئی با نقشی حیاتی در آب، انرژی و محیط‌زیست

نانوحباب‌ها حباب‌های بسیار ریزی هستند که قطر آن‌ها کمتر از ۲۰۰ نانومتر است و با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند. برخلاف حباب‌های معمولی، این حباب‌ها می‌توانند برای مدت طولانی در آب به‌صورت پایدار باقی بمانند. این ویژگی باعث می‌شود راندمان حلالیت گاز به‌طور چشمگیری افزایش یابد و امکان حل کردن مؤثر گازها در آب فراهم شود.

منظور از گاز در اینجا، گازهای راهبردی مانند اکسیژن، ازن و کلر است که کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند؛ از جمله در تصفیه آب، تصفیه فاضلاب و پساب، بخش کشاورزی، آبزی‌پروری و سایر صنایع مرتبط.

نانوحباب‌ها می‌توانند نقش مؤثری در کاهش مصرف انرژی ایفا کنند. به‌واسطه ویژگی‌هایی که پیش‌تر به آن‌ها اشاره شد، این فناوری قادر است کیفیت آب را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشد. علاوه بر آن، استفاده از نانوحباب‌ها می‌تواند منجر به کاهش نیاز به مواد شیمیایی در فرآیندهای مختلف شود، که این خود نه‌تنها به صرفه‌جویی در هزینه‌ها کمک می‌کند، بلکه از نظر زیست‌محیطی نیز مزایای قابل توجهی به همراه دارد.نانوحباب در عمل؛ تا صرفه‌جویی ۶۰ درصدی در مصرف برق

عارف دادگستر، فعال فناور در حوزه نانوحباب و مدیرعامل یک شرکت دانش‌بنیان، در این‌باره می‌گوید: «در بخش تصفیه آب و فاضلاب، نتایج حاصل از پروژه‌هایی که خود ما روی آن‌ها کار کرده‌ایم و داده‌های آن نیز مورد تأیید قرار گرفته، نشان می‌دهد که فناوری نانوحباب می‌تواند راندمان انحلال گاز را تا ۴ برابر افزایش دهد. به‌عبارت دیگر، اگر در سیستم‌های متعارف برای انحلال گازهایی مانند اکسیژن یا ازن نیاز به مصرف ۴ کیلوگرم در ساعت گاز باشد، با استفاده از فناوری نانوحباب این عدد می‌تواند به ۱ کیلوگرم در ساعت کاهش یابد.افزایش راندمان انحلال گاز به‌واسطه نانوحباب‌ها باعث می‌شود که مصرف برق نیز بین ۵۰ تا ۶۰ درصد کاهش پیدا کند. دلیل آن روشن است: در سیستم‌های متعارف، وقتی میزان مصرف گاز بالاست، تجهیزات مورد استفاده مانند دیفیوزرها، کمپرسورها یا ژنراتورها باید از ظرفیت بالاتری برخوردار باشند، و هرچه ظرفیت تجهیزات بالاتر باشد، مصرف برق و همچنین هزینه‌های سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری افزایش می‌یابد.

برای مثال فرض کنید از یک ژنراتور ازن استفاده می‌کنید. اگر این ژنراتور برای تولید ۴ کیلوگرم ازن در ساعت طراحی شده باشد، قیمت و مصرف برق آن به‌مراتب بالاتر از حالتی خواهد بود که فقط به ۱ کیلوگرم ازن در ساعت نیاز داشته باشید که در اینجا با استفاده از فناوری نانوحباب محقق می‌شود. بنابراین، این فناوری نه‌تنها مصرف انرژی را کاهش می‌دهد، بلکه می‌تواند هزینه‌های اولیه خرید تجهیزات و هزینه‌های جاری بهره‌برداری را نیز به‌طور قابل توجهی کاهش دهد.»صرفه‌جویی انرژی در تصفیه فاضلاب؛ فرصتی ملی

اگر این فناوری در مقیاس ملی فراگیر شود و بخش قابل ‌توجهی از تصفیه‌خانه‌های کشور از فناوری نانوحباب بهره‌مند شوند، به گفته دادگستر تنها در حوزه تصفیه فاضلاب می‌توان تا ۱۰۰ گیگاوات‌ساعت صرفه‌جویی سالانه در مصرف برق ایجاد کرد. این میزان صرفه‌جویی معادل مصرف برق سالانه یک شهر کوچک است، که خود بیانگر ظرفیت قابل‌توجه این فناوری در کاهش مصرف انرژی و بهینه‌سازی عملکرد تأسیسات زیربنایی کشور است.کاهش مصرف آب و افزایش تولید؛ مزیت دوگانه در کشاورزی با نانوحباب

در حوزه کشاورزی، فناوری نانوحباب می‌تواند با افزایش میزان اکسیژن محلول در آب، اکسیژن بیشتری را به ریشه گیاه برساند. این موضوع موجب سالم‌تر ماندن ریشه‌ها و بهبود عملکرد سیستم ریشه‌ای می‌شود. در نتیجه، بهره‌وری آب در کشاورزی افزایش می‌یابد، چرا که گیاه می‌تواند با همان میزان آب، رشد بهتر و تولید بیشتری داشته باشد.

بر اساس آماری که از سوی وزارت جهاد کشاورزی منتشر شده، در حال حاضر به‌ازای هر مترمکعب آب، حدود ۱.۲ تا ۱.۳ کیلوگرم محصول در ایران تولید می‌شود، در حالی‌که این عدد در کشورهای پیشرفته بیش از ۳ کیلوگرم است. این فاصله نشان‌دهنده وجود ضعف‌هایی در زمینه بهره‌وری مصرف آب در بخش کشاورزی کشور است.

برای جبران این شکاف، ضروری است به سمت استفاده از فناوری‌های نوین مانند نانوحباب حرکت کنیم. هدف باید این باشد که با مصرف کمتر آب، محصول بیشتری تولید شود؛ یعنی همان ارتقای بهره‌وری آب که یکی از مهم‌ترین راهکارهای مقابله با بحران کم‌آبی و افزایش امنیت غذایی در کشور به شمار می‌رود.

از سوی دیگر، واقعیتی انکارناپذیر این است که کشور با یک بحران عمیق در حوزه آب مواجه است. این بحران صرفاً به مسائلی مانند کم‌بارشی و تغییرات اقلیمی محدود نمی‌شود، بلکه ابعاد گسترده‌تری دارد که شامل فرونشست زمین، آلودگی منابع آب سطحی، افت شدید سطح آب‌های زیرزمینی و خشک شدن تالاب‌ها می‌شود.

مجموعه این عوامل، نه‌تنها بحران آب را تشدید می‌کنند، بلکه می‌توانند مشکلات زیست‌محیطی، اقتصادی و اجتماعی را نیز به‌طور چشمگیری افزایش دهند. بنابراین، مواجهه با این بحران صرفاً با مدیریت مصرف و برنامه‌ریزی کوتاه‌مدت قابل حل نیست، بلکه نیازمند رویکردی جامع، فناورانه و مبتنی بر نوآوری است تا بتوان از منابع موجود به شکل پایدار بهره‌برداری کرد و از تشدید تبعات آن جلوگیری نمود.

دادگستر که از فناوری نانوحباب در حوزه کشاورزی استفاده کرده چنین توضیح می‌دهد: «در حوزه کشاورزی، با بهره‌گیری از فناوری نانوحباب می‌توان حداقل ۱۰ تا ۲۰ درصد صرفه‌جویی در مصرف آب ایجاد کرد. به عبارتی، می‌توان برداشت واقعی آب را در این بخش به همین میزان کاهش داد. با توجه به آمارهای قبلی و در نظر گرفتن حداقل این بازه، این صرفه‌جویی معادل ۵ میلیارد مترمکعب آب در سال خواهد بود. این میزان صرفه‌جویی می‌تواند نقش مهمی در مدیریت بهتر منابع آب کشور و مقابله با بحران کم‌آبی ایفا کند. از آنجا که برای انتقال آب نیازمند ایستگاه‌های پمپاژ هستیم، کاهش مصرف آب به‌طور مستقیم باعث کاهش مصرف برق این پمپ‌ها نیز می‌شود. بنابراین، صرفه‌جویی در مصرف آب به معنی کاهش مصرف برق پمپ‌هاست که این عدد می‌تواند بسیار قابل توجه باشد.

بر اساس آمار موجود، با استفاده از فناوری نانوحباب می‌توان سالانه تا ۵۰۰۰ گیگاوات‌ساعت در مصرف برق پمپ‌های انتقال آب صرفه‌جویی کرد. این مقدار صرفه‌جویی برابر با مصرف برق چندین نیروگاه متوسط است و نشان‌دهنده تأثیر چشمگیر این فناوری در کاهش هزینه‌ها و بهینه‌سازی مصرف انرژی در کشور می‌باشد.»تأمین پایدار اکسیژن در مزارع آبزی‌پروری

در حوزه آبزی‌پروری، یکی از مهم‌ترین عوامل کاهش تولید و افزایش تلفات در مزارع پرورش ماهی و میگو، کمبود اکسیژن است. تأمین اکسیژن کافی برای آبزیان، نقش کلیدی در افزایش تولید و کاهش تلفات دارد. از سوی دیگر، مسئله کمبود آب نیز مطرح است؛ زیرا آب ورودی به مزارع آبزی‌پروری علاوه بر تأمین محیط زیستی مناسب، وظیفه تأمین اکسیژن استخرها را نیز بر عهده دارد.

وقتی میزان آب ورودی به مزارع کاهش یابد، کمبود اکسیژن در استخرها به وجود می‌آید که باعث کاهش تولید و افزایش تلفات می‌شود اما فناوری نانوحباب با توانایی تأمین اکسیژن به شکل پایدار در محیط‌های آبی، این مشکل را برطرف می‌کند. به این ترتیب، حتی با کاهش میزان آب ورودی به مزرعه، می‌توان اکسیژن مورد نیاز را به طور مؤثر تأمین کرد.

نتیجه این است که علاوه بر حفظ و افزایش تولید، مصرف برق برای تأمین اکسیژن نیز کاهش پیدا می‌کند؛ چرا که نانوحباب‌ها راندمان بالاتری در انحلال اکسیژن دارند و نیاز به مصرف انرژی برای هوادهی را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند.

به گفته دادگستر اگر این فناوری در سطح ملی به‌کار گرفته شود و سازمان‌ها با همکاری بخش خصوصی و حمایت از آبزی‌پروران، به توسعه و گسترش آن کمک کنند، می‌تواند تاثیر قابل توجهی بر امنیت غذایی کشور داشته باشد. با استفاده از فناوری نانوحباب، عملکرد تولید در مزارع آبزی‌پروری به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد.

در واقع در شرایط کم‌آبی، این فناوری امکان افزایش تولید تا حداقل دو برابر را فراهم می‌کند که به‌نوعی می‌توان آن را یک معجزه واقعی در حوزه آبزی‌پروری دانست. چنین تحولی نه‌تنها به بهبود بهره‌وری منابع آبی کمک می‌کند، بلکه نقش مهمی در تأمین غذای پایدار و ارتقای اقتصاد کشاورزی و شیلات کشور خواهد داشت.

فناوری نانوحباب کاربردهای گسترده‌ای در بخش‌های مختلفی همچون معادن، نفت و پتروشیمی، صنایع غذایی، حوزه پزشکی و سلامت دارد. اما اگر بخواهیم به شکل کلی‌تر و متمرکزتر نگاه کنیم، تمرکز بر سه بخش اصلی که قابلیت فراگیری ملی این فناوری در آن‌ها وجود دارد، می‌تواند نتایج بسیار ملموسی به همراه داشته باشد.راهکار مشترک سه حوزه برای عبور از بحران آب و انرژی

طبق آمارهایی که مطرح شد، با بهره‌گیری از این فناوری در این سه حوزه می‌توان سالانه چندین میلیارد مترمکعب کاهش در برداشت آب را محقق کرد، همچنین چندین تراوات‌ساعت صرفه‌جویی در مصرف برق ایجاد نمود. از همه مهم‌تر، این اقدامات باعث می‌شوند که منابع حیاتی کشور همچون آب‌های زیرزمینی، رودخانه‌ها و تالاب‌ها فرصت احیا و بازسازی پیدا کنند.

این نکته اهمیت فراوانی دارد و نباید فرصت‌های موجود را برای بهبود شرایط منابع آبی و انرژی کشور از دست داد. استفاده هوشمندانه و گسترده از فناوری‌های نوین مانند نانوحباب می‌تواند گامی بزرگ در مسیر توسعه پایدار و حفظ محیط زیست کشور باشد.