تولید آب آشامیدنی با امواج اولتراسونیک

یک جرعه ازجهان دانش

بهارسادات موسوی
[ گزارش ازپژوهش های تازه ]

مهندسان دانشگاه ام آی تی یک روش جدید و سریع برای استخراج آب آشامیدنی از مواد اسفنجی مانند برداشت آب اتمسفری(AWH) ابداع کرده اند.

به گزارش اینترستینگ انجینرینگ، سیستم‌های معمول AWH برای استخراج آب از هوا از مواد جاذبی استفاده می‌کنند که رطوبت را به‌خوبی جذب می‌کنند اما در رهاسازی آن مشکل دارند. در این روش‌ها معمولاً از گرمای خورشید برای تبخیر رطوبت استفاده می‌شود که فرآیندی زمان‌بر است.

سوتلانا بوریسکینا، پژوهشگر ارشد دانشکده مهندسی مکانیک MIT می‌گوید: «هر ماده‌ای که در جذب آب عملکرد عالی داشته باشد، معمولاً به‌سختی آن را رها می‌کند؛ بنابراین انرژی زیادی لازم است تا بتوان آب را از آن جدا کرد.»

برای حل این مشکل، محققان MIT فرآیند حرارتی کند را با یک روش صوتی پربازده جایگزین کرده‌اند. آن ها از دستگاهی به نام «محرک اولتراسونیک» استفاده می‌کنند که با انتشار امواج صوتی با فرکانس بسیار بالا، آب را از ماده جاذب تکان می‌دهد. این روش قادر است در عرض چند دقیقه آب را بازیابی کند؛ پیشرفتی بزرگ نسبت به روش‌های حرارتی سنتی.

امواج اولتراسونیک «امواج فشار آکوستیکی» در فرکانس بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز هستند؛ امواجی که انسان نمی‌شنود. تحقیقات پیشین نشان داده بود که این ارتعاشات می‌توانند مولکول‌های آب را از سطح مواد جاذب جدا کنند. دستگاه جدید نیز با انتشار دقیق این امواج، پیوندهای ضعیف میان مولکول‌های آب و جاذب را می‌شکند.

در آزمایش‌هایی که روی نمونه‌هایی با یک‌چهارم اندازه استاندارد مواد AWH انجام شد، این دستگاه توانست هر نمونه را تنها در چند دقیقه کاملاً خشک کند. نتایج نشان داد روش اولتراسونیک ۴۵ برابر کارآمدتر از روش‌های مبتنی بر انرژی خورشیدی است. هرچند این سیستم نیازمند منبع انرژی است، اما پژوهشگران معتقدند می‌توان آن را با یک سلول خورشیدی کوچک نیز فعال کرد.

 

ردیابی برخورد‌های ماده تاریک

یک اخترفیزیکدان آمریکایی پیشنهاد استفاده از گانیمد، بزرگترین قمر مشتری را به عنوان بستری برای مطالعه اثرات ماده تاریک در فضا ارائه کرده است.
مجله Physical Review D نتایج مطالعه‌ای را منتشر کرد که نشان می‌دهد گانیمد می‌تواند برای جست‌وجوی ردپای ماده تاریک در فضا مورد استفاده قرار گیرد. این مطالعه نشان می‌دهد که برخورد توده‌های کوچک ماده تاریک با سطح این قمر، “زخم‌های” مشخصی را به جا گذاشته است که می‌تواند به هدفی برای ماموریت‌های آینده ناسا تبدیل شود.

در این تحقیق آمده است:
“از نظر تئوری، توده‌های ماده تاریک در محدوده‌های جرمی خاص می‌توانند با سیارات و اجرام آسمانی برخورد کنند و ساختار‌های سطحی ایجاد کنند که برای مدت طولانی باقی می‌مانند و دوره‌های زمین‌شناسی زیادی را در بر می‌گیرند. محاسبات نشان می‌دهد که گانیمد، بزرگترین قمر مشتری، به دلیل سطح بسیار قدیمی این قمر، ابزاری ایده‌آل برای جست‌وجوی ردپای چنین برخورد‌هایی است.”

این نتیجه توسط محقق ویلیام دروکو از دانشگاه مریلند، به عنوان بخشی از پروژه‌ای با هدف یافتن جایگزین‌های طبیعی برای آشکارساز‌های مصنوعی فعلی برای ماده تاریک، که هنوز هیچ مدرک مستقیمی از وجود آن ثبت نکرده‌اند، به دست آمده است که تا حدودی به دلیل دانش محدود از خواص ذرات آن و توزیع ناهموار خوشه‌های آن در فضا است.

دروکو خاطرنشان کرد که توده‌های بزرگی از ماده تاریک باید به صورت دوره‌ای به سیارات و سایر اجرام آسمانی کوچک نزدیک شوند یا از آن ها عبور کنند. از دیدگاه انسان، این بسیار نادر است. با این حال، چنین برخورد‌هایی طبق استاندارد‌های زمین‌شناسی و نجومی، با سرعت یک بار در هر ۱۰۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ سال، به طور مکرر رخ می‌دهند و امکان شناسایی آثار آن ها را بر روی سطح گانیمد و سایر اجرام آسمانی که ظاهر خود را برای میلیارد‌ها سال حفظ کرده‌اند، فراهم می‌کنند.

 

یک رشته عظیم کیهانی به طول ۵۰ میلیون سال نوری

دانشمندان یکی از بزرگترین ساختارهای چرخان جهان ما را کشف کرده‌اند که یک رشته کیهانی به طول ۵۰ میلیون سال نوری است. این رشته شامل ردیفی از کهکشان‌ها به طول ۵.۵ میلیون سال نوری است که همگام با آن می‌چرخند. به تازگی کشف شده است که کهکشان‌های ساکن در یک رشته عظیم ماده تاریک، عمدتاً در همان جهتی که رشته می‌چرخد، می‌چرخند. این کشفی است که آنچه ستاره‌شناسان فکر می‌کنند در مورد چگونگی تأثیر محیط بر تکامل کهکشانی می‌دانند را به چالش می‌کشد.

به گزارش اسپیس، این رشته، رشته‌ای در شبکه کیهانی است که عمدتاً از ماده تاریک ساخته شده و با ماده معمولی در هم آمیخته شده است و کل جهان را در بر می‌گیرد.

این رشته که در فاصله ۱۴۰ میلیون سال نوری از ما قرار دارد، ساختاری تو در تو دارد و در قلب آن، ردیفی از ۱۴ کهکشان وجود دارد که تقریبا در خطی به طول ۵.۵ میلیون سال نوری و عرض ۱۱۷ هزار سال نوری قرار گرفته‌اند و همگی سرشار از گاز هیدروژن هستند که برای تشکیل ستاره‌ها مورد نیاز است.
این ردیف از کهکشان‌ها سپس در رشته بزرگتری که ۵۰ میلیون سال نوری طول دارد و در مجموع حدود ۳۰۰ کهکشان را در خود جای داده است، جای گرفته‌اند.
این ردیف کهکشانی خارق‌العاده است، نه به این دلیل که در یک نوار باریک هم‌تراز شده‌اند، بلکه به این دلیل که بسیاری از آن ها در همان جهتی که رشته می‌چرخد، می‌چرخند. به هر کهکشان فکر کنید که به آرامی به دور محور خود می‌چرخد و سپس آن کهکشان‌ها را عمود بر محور طولی رشته تصور کنید که با سرعت ۱۱۰ کیلومتر در ثانیه در همان جهتی که خودشان به دور محور خود می‌چرخند، به دور آن دوک می‌چرخند. در مجموع، این یکی از بزرگترین ساختارهای چرخشی منسجم شناخته شده در جهان است.

«لیلا یونگ»(Lyla Jung) از دانشگاه آکسفورد در بیانیه‌ای گفت: آنچه این ساختار را استثنایی می‌کند، نه تنها اندازه آن، بلکه ترکیب هم‌ترازی چرخش و حرکت چرخشی آن است. این کشف به ما بینش نادری در مورد چگونگی چرخش کهکشان‌ها از ساختارهای بزرگتری که در آن زندگی می‌کنند، می‌دهد.

«یونگ» و «مادالینا تودوراچ»( Madalina Tudorache) از آکسفورد، با استفاده از ۶۴ بشقاب شبکه‌ای تلسکوپ رادیویی MeerKAT در آفریقای جنوبی، مطالعه روی این رشته را به طور مشترک رهبری کردند تا حرکت گاز هیدروژن خنثی در کهکشان‌ها و رشته را ردیابی کنند که با داده‌های نوری از ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک در رصدخانه ملی «کیت پیک»(Kitt Peak) در آریزونا و نقشه‌برداری آسمانی دیجیتال اسلون(Sloan) در نیومکزیکو ترکیب شده است.

ستاره‌شناسان در سال ۲۰۲۲ کشف کردند که رشته‌های موجود در شبکه کیهانی، بر اساس حرکت کهکشان‌های درون خود در حال چرخش هستند. این کشف جدید که خود کهکشان‌ها در محور خود در همان جهت چرخش رشته می‌چرخند، به دلیل نحوه تفکر ستاره‌شناسان در مورد شکل‌گیری اولیه کهکشان‌ها تعجب‌آور بود.

برای مثال، گاز، ستارگان و غبار موجود در کهکشان راه شیری همگی به دور مرکز کهکشان در حال چرخش هستند. ۲۲۰ میلیون سال طول می‌کشد تا خورشید و منظومه شمسی ما یک دور کامل به دور کهکشان بچرخند. چرخش یک کهکشان تا حدودی میراثی از ابر گازی چرخانی است که در ابتدا ۱۳ میلیارد سال پیش آن را تشکیل داده است، ابری که تکانه زاویه‌ای خود را به کهکشان منتقل می‌کند. با این حال، از آن زمان تاکنون، اکثر کهکشان‌ها برخوردهای نزدیک، تصادم‌ها و ادغام‌های کامل با کهکشان‌های دیگر را تجربه کرده‌اند که می‌توانسته نحوه چرخش آنها را مختل کند.

با این حال، چرخش این رشته به وضوح بر نحوه چرخش کهکشان‌های درون آن تسلط دارد. شاید با هدایت گاز هیدروژن در امتداد رشته ماده تاریک و به سمت کهکشان‌ها به گونه‌ای که چرخش آنها را مجبور می‌کند و در عین حال سوخت بیشتری برای تشکیل ستاره فراهم می‌کند.

«تودوراچ» می‌گوید: این رشته یک سابقه فسیلی از جریان‌های کیهانی است که به ما کمک می‌کند تا بفهمیم کهکشان‌ها چگونه چرخش خود را به دست می‌آورند و چگونه در طول زمان رشد می‌کنند.

کهکشان‌های موجود در این رشته نیز نسبتاً جوان و در مراحل اولیه توسعه به نظر می‌رسند و این امکان وجود دارد که چرخش آنها با بالغ شدن تغییر کند.

با این حال، اینکه جریان مواد در امتداد رشته‌های کیهانی می‌تواند تا این حد بر خواص کهکشان‌ها تأثیر بگذارد، جای

تعجب دارد و منجر به اصلاحات مهمی در مدل‌های چگونگی شکل‌گیری کهکشان‌ها خواهد شد.

این کشف روز گذشته در مجله Monthly Notices of the Royal Astronomical Society گزارش شد.

 

سپری برای باتری‌ها
دانشمندان با کشف سازوکاری جدید، راهی برای جلوگیری از تشکیل دندریت، ساختارهای سوزنیِ عامل آتش‌سوزی و خرابی باتری‌ها، یافته‌اند.

وبگاه تِک‌اِکسپلور در گزارشی آورده است: پژوهشگران دانشگاه بریتیش کلمبیا (UBC) با کشف سازوکار جدیدی برای مهار رشد دندریت‌ها، ساختارهای سوزنی خطرناکی که باعث خرابی و آتش‌سوزی باتری‌ها می‌شوند، گام مهمی به سوی توسعه باتری‌های ایمن‌تر، پایدارتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر برداشته‌اند.

این دستاورد علمی می‌تواند باتری‌های روی‌یونی را به جایگزینی ایمن‌تر، پایدارتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر برای باتری‌های لیتیوم‌یونی در خودروهای برقی و ذخیره‌سازی انرژی تبدیل کند.

دندریت‌ها بلورهای ریز و سوزنی‌شکلی هستند که در حین شارژ باتری روی الکترودها رشد می‌کنند. با گذشت زمان، این ساختارها می‌توانند لایه جداکننده بین الکترودها را سوراخ کنند و منجر به اتصال‌کوتاه، خرابی کامل باتری یا حتی انفجار و آتش‌سوزی شوند.
باتری‌های لیتیوم‌یونی به دلیل چگالی انرژی بالا، بازار را در دست دارند، اما باتری‌های روی‌یونی مزایای چشمگیری ارائه می‌دهند:

ارزان‌تر و فراوان‌تر: روی یک ماده فراوان و کم‌هزینه است؛
ایمنی بالاتر: الکترولیت‌های مبتنی‌بر آب آن‌ها را اشتعال‌ناپذیر می‌سازد؛
سازگاری محیطی بهتر: تولید و بازیافت آن‌ها آسان‌تر است.

گروه پژوهشی به سرپرستی موسانا غالب (Musanna Galib)، دانشجوی دکتری، با استفاده از میکروسکوپ نوری فوق‌سریع، رشد دندریت‌ها را در لحظه مشاهده کردند. آن‌ها دریافتند که اِعمال یک لایه نازک محافظ روی سطح روی (زینک)، تنش‌های مکانیکی داخلی ایجاد می‌کند که مانند یک سپر در مقیاس اتمی عمل می‌کند و هم شکل‌گیری و هم رشد دندریت‌ها را سرکوب می‌نماید. این پوشش همچنین تولید گاز هیدروژن را کاهش می‌دهد و سطح الکترود را صاف‌ترنگه می دارد.

این پژوهش برای نخستین‌بار ارتباطی واضح بین تنش پوشش و پایداری الکتروشیمیایی باتری نشان داد. جیان لیو (Jian Liu)، پژوهشگر ارشد، می‌گوید: درک و کنترل این دندریت‌ها، دروازه‌ای به سوی باتری‌های ایمن‌تر و پربازده برای خودروهای برقی، فناوری‌های پوشیدنی و شبکه‌های انرژی تجدیدپذیر می‌گشاید.

این دستاورد علمی مسیر توسعه نسل جدیدی از سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی را هموار می‌کند که نه تنها باید قدرتمند، بلکه باید ایمن، مقرون‌به‌صرفه و پایدار باشند. باتری‌های روی‌یونی با رفع مشکل دندریت‌ها، می‌توانند جایگزینی جدی برای باتری‌های لیتیوم‌یونی در بسیاری از کاربردها شوند.