گرافن و بخار خورشیدی؛ راهکاری نوین برای آب شیرین

پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس و حکیم سبزواری نشان دادند که مواد نانوساختار مبتنی بر گرافن، به دلیل جذب بالای نور و تبدیل آن به گرما، بازدهی سامانه‌های تولید بخار خورشیدی را به طور چشمگیری افزایش می‌دهند. این مطالعه با بررسی چالش‌هایی مانند هزینه و پایداری، مسیر را برای توسعه فناوری‌های پایدار در تصفیه و شیرین‌سازی آب هموار کرده است.

به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس و دانشگاه حکیم سبزواری در پی افزایش بحران جهانی آب و نیاز به فناوری‌های پایدار برای تأمین منابع آب شیرین و لزوم استفاده از انرژی خورشیدی در فرایندهای تبخیر و شیرین‌سازی به بررسی نقش مواد نانوساختار مبتنی بر گرافن در بهبود عملکرد سامانه‌های تولید بخار خورشیدی پرداخته‌اند.

این مواد به‌دلیل توانایی بالا در جذب نور و تبدیل آن به گرما، گزینه‌ای مناسب برای افزایش بازدهی این فرایندها محسوب می‌شوند. در این پژوهش، علاوه بر تشریح سازوکارهای کلیدی، به چالش‌هایی مانند هزینه تولید، پایداری ساختاری و مدیریت نمک نیز پرداخته شده است. نتایج این مطالعه می‌تواند به توسعه راهکارهای نوین و کارآمد در حوزه تصفیه و شیرین‌سازی آب کمک کند.

اگر قرار باشد آب دریا را فقط با نور خورشید به آب قابل‌استفاده تبدیل کنیم، ایده‌اش خیلی جذاب است؛ تقریباً مثل این‌که طبیعت را وادار کنیم برای ما کار کند، بدون قبض برق و دردسرهای معمول. اما در عمل، این کار به‌سادگی گذاشتن یک ظرف آب زیر آفتاب نیست. بخش بزرگی از انرژی خورشیدی هدر می‌رود و بازدهی چنین فرایندهایی معمولاً آن‌قدر پایین است که به درد استفاده واقعی نمی‌خورد. همین‌جا است که پای نانوفناوری و البته گرافن به ماجرا باز می‌شود.

در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس با همکاری دانشگاه حکیم سبزواری، در یک مطالعه مروری جامع، به بررسی سازوکارهای اصلی تولید بخار خورشیدی با استفاده از مواد فوتوترمال مبتنی بر گرافن پرداخته‌اند. این پژوهش تلاش می‌کند به یک سؤال ساده اما حیاتی پاسخ دهد: چطور می‌توان نور خورشید را با کمترین اتلاف، به گرمای مؤثر برای تبخیر آب تبدیل کرد؟

ضرورت انجام چنین پژوهش‌هایی، از بحران جهانی آب ناشی می‌شود؛ بحرانی که دیگر فقط مختص مناطق خشک نیست و به یک مسئله فراگیر تبدیل شده است. فناوری‌های متداول شیرین‌سازی آب، اغلب انرژی‌بر، پرهزینه و وابسته به سوخت‌های فسیلی هستند. بنابراین، توسعه روش‌های پایدار و کم‌مصرف، به‌ویژه آن‌هایی که از انرژی خورشیدی استفاده می‌کنند، یک نیاز فوری به‌شمار می‌رود.

در این میان، گرافن و ساختارهای نانویی مبتنی بر آن، به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردشان، به گزینه‌ای جدی تبدیل شده‌اند. بخش نانویی این فناوری دقیقاً در همین ساختارهای مهندسی‌شده در مقیاس نانو نهفته است؛ جایی که گرافن با سطح ویژه بالا، قابلیت جذب تقریباً کامل نور خورشید را دارد و می‌تواند این انرژی را با کارایی بالا به گرما تبدیل کند. این ویژگی، آن را به یک ماده ایده‌آل برای کاربردهای فوتوترمال تبدیل کرده است.

این پژوهش، سه سازوکار اصلی را در عملکرد این مواد بررسی می‌کند: جذب انرژی خورشیدی، تبدیل انرژی نور به گرما، و در نهایت، تبخیر آب. نکته مهم این است که تنها جذب انرژی کافی نیست؛ بلکه باید این انرژی در محل مناسب متمرکز شود تا از هدررفت آن به حجم آب اطراف جلوگیری شود. به‌عبارت دیگر، اگر گرما به‌جای سطح، در کل آب پخش شود، بازدهی سیستم به‌شدت کاهش می‌یابد.

یکی از راهکارهای مطرح‌شده، استفاده از ساختارهای متخلخل گرافنی است. این ساختارها به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که آب را از طریق خاصیت آب‌دوستی (هیدروفیلیسیته) به سطح فعال منتقل کرده و در عین حال، گرما را در همان ناحیه متمرکز نگه دارند. این طراحی هوشمندانه باعث می‌شود تبخیر آب با سرعت بیشتری انجام شود، بدون آن‌که انرژی زیادی تلف شود.

پژوهشگران همچنین به نقش طراحی ساختاری در بهبود عملکرد این مواد اشاره کرده‌اند. ویژگی‌هایی مانند زبری سطح، اندازه منافذ، و میزان آب‌دوستی، تأثیر مستقیمی بر کارایی تبخیر دارند. علاوه بر این، اصلاح شیمیایی گرافن از طریق دوپینگ یا ترکیب با مواد دیگر، می‌تواند بازده تبدیل انرژی را افزایش دهد.

با این حال، مسیر توسعه این فناوری کاملاً هموار نیست. یکی از چالش‌های اصلی، هزینه بالای تولید گرافن و ساختارهای متخلخل مبتنی بر آن است. این مسئله، استفاده گسترده از این مواد را با محدودیت مواجه می‌کند. از سوی دیگر، پایداری مکانیکی این ساختارها نیز به شرایط فرایند تولید، به‌ویژه میزان کاهش حرارتی، وابسته است؛ موضوعی که می‌تواند بر طول عمر و قابلیت استفاده مجدد آن‌ها تأثیر بگذارد.

یکی دیگر از چالش‌های مهم، مدیریت نمک در فرایند شیرین‌سازی است. در بسیاری از سامانه‌های تبخیر خورشیدی، تجمع نمک روی سطح فعال، به‌مرور زمان باعث کاهش کارایی می‌شود. این پژوهش به ضرورت طراحی ساختارهایی اشاره می‌کند که بتوانند این مشکل را کاهش دهند و عملکرد پایدار سیستم را تضمین کنند.

برای غلبه بر محدودیت‌های اقتصادی، استفاده از افزودنی‌های ارزان‌قیمت و پایدار به‌عنوان یک راهکار مطرح شده است. بااین‌حال، هنوز تحقیقات کافی در این زمینه انجام نشده و نیاز به بررسی‌های بیشتر احساس می‌شود. همچنین، توسعه روش‌هایی که نیاز به فرایندهای دمای بالا را کاهش دهند، می‌تواند به بهبود پایداری و کاهش هزینه‌ها کمک کند.

در نهایت، این مطالعه نشان می‌دهد که آینده فناوری‌های تولید بخار خورشیدی، به ایجاد تعادل میان سه عامل کلیدی وابسته است: کارایی، هزینه و پایداری.

به نقل از نانو ایران، گرافن، با تمام مزایایش، هنوز راهی تا تبدیل شدن به یک راه‌حل فراگیر در پیش دارد. اما اگر این چالش‌ها به‌درستی مدیریت شوند، می‌توان انتظار داشت که این مواد نانوساختار، نقش مهمی در تأمین آب پاک و پایدار در آینده ایفا کنند.

نتایج این پروژه درقالب مقاله ای با عنوان Mechanisms involved in solar steam generation via graphene-based photothermal active materials منتشر شده است.