نظام متكامل مُلهم من الطبيعة لالتقاط الضباب وتوفير الطاقة في آن واحد

تحويل الضباب إلى مورد مفيد

في العديد من المناطق الجافة، يواجه الناس مشكلتين في آن واحد: نقص المياه النظيفة ونقص الكهرباء الموثوقة. تستعرض هذه الدراسة جهازًا جديدًا يتعامل مع التحديين عبر استخلاص المياه من الضباب وفي الوقت نفسه تحويل قطرات المياه المتساقطة إلى دفعات صغيرة من الطاقة. مُستلهمًا من نباتات وصحاري وحشرات الصحراء، صُمم النظام للعمل في مواقع نائية وخارج الشبكة، حيث يمكن لكميات متواضعة من الماء والكهرباء أن تُحدث فرقًا كبيرًا في زراعة الغذاء.

التعلم من كائنات الصحراء

الطبيعة قد حلت بالفعل مشكلة التقاط الماء من الهواء الرقيق. خنفساء ناميب، أشواك الصبار، وحافة نباتات الإبريق كلها تجمع وتوجّه قطرات صغيرة بكفاءة عالية. نقل فريق البحث السمات الأساسية من هذه الكائنات لصنع سطح معدني مغطى بأخدودات متفرعة. تم ضبط هذه الأخدودات بعناية بحيث تُحب بعض المناطق الماء بينما تطرده مناطق أخرى. عندما يمر الضباب، تهبط القطرات الدقيقة، تندمج، وتنجذب على طول هذه المسارات دون أن تلتصق، تمامًا مثل الماء المتدفق على عروق الورقة.

كيف يعمل سطح جامع الضباب

جوهر جزء جمع المياه هو صفيحة تيتانيوم منقوشة تسمى سطحًا شجيريًا مُحاكيًا حيويًا تآزريًا. تُصنع بالصَفْر بالليزر ومعالجة ضوئية لخلق نتوءات دقيقة وتدرج لطيف في مدى جاذبية المناطق المختلفة للماء. عندما يصطدم الضباب بهذا السطح، تتشكل القطرات أولًا على الفروع الجانبية فائقة الامتصاص، ثم تُسحب نحو الجذع الرئيسي وتهبط إلى نقطة التجميع. يجتمع شكل الأخاديد، ميل الفروع، والتدرج في البلل لدفع القطرات في اتجاه واحد. أظهرت الاختبارات أن أفضل تصميم جمع ما يقرب من عشرة غرامات من الماء لكل سنتيمتر مربع في الساعة، أي أكثر من أربعة أضعاف ما يجمعه لوح التيتانيوم العادي.

تحويل القطرات الساقطة إلى كهرباء

الجزء الثاني الأساسي من النظام هو مولد نانوي تريبوالكتريكي معتمد على القطرات، جهاز يحول حركة قطرات الماء إلى إشارات كهربائية. بعد أن يتجمع ماء الضباب ويقع من الجامع، يسقط على صفيحة مائلة مصنوعة من مادة مطاطية لينة مخلوطة بمركب موصل يُسمى MXene. عندما تصطدم كل قطرة وتنتشر على هذه الصفيحة المطلية، تُعاد توزيع الشحنات الكهربائية على السطح ويتولد نبضة صغيرة من التيار بين طبقات معدنية مخفية. عبر اختيار حجم القطرات وارتفاع السقوط وزاوية الميل المناسبة، عزز الفريق كلًا من التيار والجهد مع الحفاظ على سطح شديد الطرد للماء بحيث تتدحرج القطرات بدلًا من تكوين غشاء لزج.

استخدام الماء والطاقة لخدمة النباتات

لإظهار أن جامع الضباب والمولد المدمجين قادران على أداء عمل حقيقي، بنى الباحثون حجرة صغيرة مبطنة بخمسة وعشرين وحدة معدنية منقوشة. في ظروف شبيهة بالضباب، جمّع هذا الوحدة نحو 1.6 لتر من الماء خلال الليل لكل ثلث متر مربع من المساحة، ما يكفي لتلبية معظم احتياجات الشرب اليومية لشخص واحد في مناخ جاف. ثم تدفّق الماء المخزن بالجاذبية عبر خط تنقيط onto الصفيحة المولدة للطاقة وأخيرًا إلى تربة تحتوي على بذور الشعير. استُخدمت الدفعات الكهربائية الصغيرة لتشغيل مصابيح صغيرة تمثل إضاءة نمو النبات، بينما روّت المياه المحصّلة البذور. على مدى عدة أيام نما الشعير المُروى بضباب أطول وأكثر صحة من العينات غير المروية.

أداة جديدة للأماكن الجافة لكن الرطبة جوًا

يُظهر النظام المكتمل أن الضباب يمكن أن يُستخدم كمصدر للماء ومصدر لطيف للطاقة في الوقت نفسه. السطح الخاص يلتقط ويوجّه القطرات بكفاءة عالية، والصفيحة العاملة بالقطرات تنتج كهرباء منخفضة المستوى مناسبة لأجهزة مثل الحساسات أو الأضواء الصغيرة. وبما أن النهج يعتمد فقط على الرطوبة المحلية والجاذبية، فهو مناسب جيدًا لصحاري السواحل ومناطق أخرى يكون فيها الهواء رطبا لكن المياه السائلة وخطوط الكهرباء نادرة. وبينما ثمة حاجة لمزيد من العمل لإضافة تنقية مياه كاملة وحماية طويلة الأمد للأجزاء المعدنية، يقدم هذا التصميم المُستلهم من الطبيعة مسارًا عمليًا لوحدات صغيرة مكتفية ذاتيًا تدعم الزراعة والحياة اليومية في مناطق تعاني من إجهاد مائي.

الاستشهاد: Gao, H., Li, L., Hu, Y. et al. A novel bioinspired integrated system for simultaneous fog harvesting and energy supply. Microsyst Nanoeng 12, 174 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01240-1

الكلمات المفتاحية: التقاط الضباب, المياه والطاقة, أسطح مُستلهمة من الطبيعة, مولد نانوي تريبوالكتريكي, الزراعة خارج الشبكة