İçme suyu ve kullanma suyu temini, önümüzdeki yüzyılın en büyük sorunu olacağı herkesçe de çok iyi bilinen bir gerçek olarak, önümüzde durmaktadır.
Başlıca sebepleriyse; İklim Değişikliği, Nüfus Artışı ve Su Tüketim Kültürünün Artışı olarak sıralayabiliriz.
Gelişmiş toplumlarda “Sürdürülebilir Kentsel Su Yönetimi Araştırma Programları” ile ilgili ciddi çalışmalar yapılırken, ülkemizde maalesef yeterli çalışmalar ve planlamalar yoktur.
YER KÜREMİZİN %71 SU, %29 KARA’DIR.
MEVCUT SUYUN; %97,5’Ü DENİZ SUYU ve %2,5 ‘U TEMİZ SU’DUR.
TÜM DÜNYADAKİ SUYUN; %0,0075 ’İ TATLI SU’DUR. (İÇME SUYU)
Dünyada her insan için ortalama yılda; 1,4 milyon litre su harcanıyor.
Dünya’nın yaklaşık 3/4 ’ü su olmasına rağmen, içme suyu ve kullanıma uygun tatlı su kaynakları oldukça kısıtlıdır.
Dünya’nın toplam tatlı su kapasitesi yaklaşık 35 milyon km3(kilometreküp) (Dünya’nın toplam su kapasitesinin %2,5’i) olup bunun sadece 105 bin km3(kilometreküp) ‘ü (%0,3’ü) doğal çevre ve insan kullanım ihtiyaçlarına elverişli tatlı su kaynaklarıdır.
Yaghi ilk olarak 2002 yıllarında çalışmaya başlanmıştır. Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesinden Prof. Dr. Omar Mwannes Yaghi ve ekip arkadaşları, atmosferden su buharı toplayarak içme suyu üreten bir cihaz geliştirilmesi, 2019 yılını bulmuştur.
Düşük nemli bile olsa, günde yaklaşık bir litre su verebilen taşınabilir, güneş enerjili su toplayıcılar geliştirdiler. Berkeley California Üniversitesi’nde Kimya Öğretmeni olan Ortak kurucu Omar Yaghi; “Bu cihazla, bir saat içinde bir kola kutusu miktarında su elde edebilirsiniz.” İfade etmektedir. “Bu bir insanın çölde hayatta kalabilmesi için gereken su miktarı için yeterlidir.” Bu miktar kulağa çok az gibi gelebilir, ancak tasarımcılar mevcut cihazın sadece bir prototip olduğunu, cihazın daha da geliştirilebilir olduğunu belirttiler.
Düşük enerjili su toplama konusunda önceki girişimlerde, bağıl nemi %50’nin altında tutmak için mücadele edilmekteydi. Yaghi ve çalışma arkadaşları özel materyal sayesinde yeni cihazın, suyu havadan %20 bağıl nem oranıyla elde ettiğini, 13 Nisan 2019’da Science‘da online olarak rapor ettiler. Bu, öğleden sonra ortalama bağıl nemin %21 olduğu Las Vegas’ta su oluşturmak gibidir.
Dünya nüfusunun üçte ikisi su kıtlığı çekmektedir. Atmosferde kullanılamayan 5 milyardan fazla olimpik yüzme havuzunu doldurabilecek buhar ve su damlacıkları şeklinde bulunan nem mevcuttur.
Havanın suya doygun olduğu zamanlarda nemi dışarı çıkarmak daha kolaydır.
Ancak nemli bölgeler su sıkıntısı sorununun olmadığı yerlerdir ve kurak alanlardaki suyu çekmek daha büyük bir zorluktur. Silika jeller gibi süngerimsi malzemeler, düşük bağıl nemde bile havadan nem alabilir. Bununla birlikte, bu malzemeler suyu çok yavaş çıkartmaktadırlar ve toplanan suyu malzemeden çıkarmak için çok fazla enerji kullanmaları gerekmektedir.
Yeni cihazda her iki problemi de önleyen bir malzeme kullanılmaktadır. Organik moleküller ile bağlanmış elektrik yüklü metal atomlarından oluşan mevcut bir materyali yeniden kullandılar. MOF-801 isimli bu metal-organik yapı (MOF) gazları su buharı olarak tutabilen mikroskobik, gözenekli süngerimsi bir ağdan oluşmaktadır.
Oda sıcaklığında, su buharı gözeneklerde toplanır ve sıcaklık arttıkça su cihazın içinde birikir.
Ortam havası, MOF kristalleri üzerinden yayıldığında, su molekülleri içteki yüzeylere tutunur. Sistem üzerinde yapılan X-ışını kırınım çalışmaları, su buharı moleküllerinin sık sık sekizli gruplar halinde bir araya gelerek küpler oluşturduğunu gösterdi. Daha sonra güneş ışığı MOF’u ısıtıyor ve bağlı durumdaki suyu, dış mekandaki havayla aynı sıcaklıkta olan yoğunlaştırıcıya doğru itiyor. Bu buhar yoğunlaşarak sıvı su haline geliyor ve bir toplayıcıya doğru damlayarak temiz içme suyu elde edilmiş oluyor.
Cihazın prototipi bakır köpüğü ile karıştırılmış bir MOF-801 tabakası içeriyor. Gölgede bırakılan bu katman havadan su buharı toplar. Doğrudan güneş ışığına alındığında katman ısınır ve su buharı altta yatan bir odaya kaçar. Odadaki bir kondansatör buharı soğutup içilebilir bir sıvıya dönüştürür. Bütün bu süreç iki saat kadar sürüyor. Cihazın laboratuvar testlerinde kullanılan her MOF-801 için kilogram başına günde 2,8 litre su toplamaktadır. Yaghi, şu an olduğu gibi, cihazın su üreten altyapıya sahip olmayan kuru bölgelerde kişisel bir su kaynağı olarak kullanılabileceğini ya da sistemin bir topluluğa yetecek kadar su üretmek için ölçeklendirilebileceğini söylüyor.
Atlanta'daki Georgia Tech’te kimya mühendisi Krista Walton “Cihazın düşük bağıl nemde su üretme yeteneği bir dönüm noktasıdır, bugün hiç kimse MOF'leri böyle kullanmıyor” diyor. Walton, ölçeklendirme maliyetine gelince, cihazın metal-organik yapısında kullanılan malzemelerin “egzotik olmadığını”, “Talep olsaydı kesinlikle malzemenin büyük ebatlarda üretilmesi mümkün olurdu” diye belirtiyor.
Cihaz, MIT’de bir binanın çatısında denenmiş ve inanılmaz derecede umut veren sonuçlar sunmuştur. İlk saha denemeleri Arizona çölünde yürütüldü ve araştırmacılar, cihazın taze ve içilebilir su toplayabildiğini göstermiş oldular.
Omar Yaghi; “Cihaz ortam sıcaklığında ve ortamdaki güneş ışığıyla çalışıyor. Üstelik ilave hiçbir enerji girişi olmadan çölde su toplayabiliyorsunuz. Laboratuvardan çöle uzanan bu yolculuk; su hasadını, gerçekten ilginç bir olgudan bilime dönüştürmemize imkân sağladı.”
Deney Arizona’nın Scottsdale şehrinde yürütüldü. Buradaki bağıl nem, gece vakti %40 gibi yüksek bir seviyeden, gündüz boyunca %8 kadar düşük bir seviyeye düşüyor. Sonuçlar, daha fazla MOF eklenmesiyle su toplayıcısının kolay bir şekilde büyütülebileceğini gösterdi. MOF, suyu emme işleminde kullanılmaktadır. Şu an kullandıkları MOF (MOF-801), zirkonyum isimli pahalı bir metalden yapılıyor ve kilogram başına yaklaşık 200 ml su toplayabiliyor. Ancak Yaghi, en az 303 kat daha ucuz olan ve laboratuvar testlerinde iki kat fazla su yakalayabilen, MOF-303 isimli, alüminyuma dayalı yeni bir MOF oluşturdu.
Bu durum, yeni malzemeyi kullanan hasatçıların, günde 3 bardaktan fazla su üretebileceği anlamına geliyor; bu miktar, bir insanın günlük ihtiyacının yaklaşık yarısı. “İnsanlar cihazı ticarileştirmeye çok büyük ilgi gösterdiler ve şu an ticari bir su toplama cihazı geliştirmekle uğraşan birkaç yeni şirket bulunuyor” diyor Yaghi.
Alüminyum MOF daha ucuz olduğu için su üretimini elverişli hale getirmektedir. Yaghi, MOF üzerinde ilk olarak 20 yıldan uzun süre önce çalışmış. MOF’lar, sıradan metal katmanlarından farklı olarak, magnezyum veya alüminyum gibi metallerin organik moleküllerle birleştirildiği yapılar. Bu birleşim, gaz veya sıvıları depolamak için mükemmel olan ve sert, gözenekli yapılar meydana getiren bir dizilimde gerçekleştiriliyor.
Dünya çapındaki araştırmacılar, o zamandan beri 20.000’den fazla farklı türde MOF oluşturdular ve şu an bunlar karbondioksit yakalamakta, hidrojen veya metan gibi kimyasalları etkili bir şekilde depolamakta kullanılıyor.
Bu cihazın temelini oluşturan MOF (a metal organic frame) sistemi, bilim insanı Prof. Dr. Omar Yaghi tarafından 20 yıl önce geliştirildi. MOF sistemi yüksek düzeydeki organik ve inorganik metalik partiküllerin birbirine geçmesiyle oluşturuluyor.
Güneş enerjisiyle çalışan cihaz havadaki nem oranının aşırı derecede düşük olduğu çöllerde bile 24 saat boyunca kesintisiz su toplayabiliyor.
Metallerden ve organik moleküllerden oluşan metal organik kafesler (MOF) boşluklu yapılarıyla ve çok büyük yüzey alanına sahip olmalarıyla bilinir.
Bu atmosferdeki su toplayıcıda, zorlu çevre koşullarında bile suyu temizlemek için metal organik çerçeve (MOF) adı verilen bir ultra gözenekli malzeme kullanıldı.
MOF’leri icat eden ve liderliğini üstlenen Berkeley kimya profesörü Omar Yaghi; “Dünya nüfusunun neredeyse üçte biri, su sıkıntısı yaşayan bölgelerde yaşıyor. BM, 2050 yılında dünya genelinde yaklaşık 5 milyar insanın büyük bir kısmının su kıtlığına maruz kalacağını tahmin ediyor. Bu, su için yeni kaynaklar bulmanın son derece önemli olduğu anlamına geliyor.” ifadelerini kullandı.
Öyle ki küp şeker büyüklüğünde bir MOF’nin yüzey alanı yaklaşık olarak altı futbol sahasınınki kadardır.
Gazlar ve sıvılar kolaylıkla MOF’lerin yüzeyine tutunur. Ayrıca malzeme hafifçe ısıtıldığında yakaladığı maddeleri hızla geri salar.
(MOF-177 olarak adlandırılan bir tür metal organik kafes molekülü)
Günümüzde hidrojen yakıtlı araçlar için hidrojen depoları geliştirmek, fabrika bacalarından yayılan karbondioksiti toplamak ya da metanı depolamak gibi çeşitli alanlarda MOF’lerin ne ölçüde yararlı olacağıyla ilgili araştırmalar yapılıyor. Araştırmacılar da atmosferden suyu toplamak için MOF’lerden yararlanmışlar.
Geliştirilen cihaz aslında türünün ilk örneği değil. Aynı araştırma grubu 2017 yılında da yine MOF’lerin kullanıldığı, atmosferden su toplayan bir cihaz geliştirmişti.
Ancak yeni versiyon, eskisine göre çok daha verimli çalışıyor. Bu durumun birkaç sebebi var. Eski versiyonda MOF-801 olarak adlandırılan zirkonyumlu metal organik kafes molekülleri kullanılıyordu. Yeni versiyondaysa MOF-303 kullanılıyor.
Alüminyum içeren bu MOF’nin su tutma kapasitesi MOF-801’inkinden %30 daha yüksek.
MOF-303’ün bir diğer önemli özelliği de çok hızlı bir biçimde su tutup salabilmesi. Malzeme sadece 20 dakika içinde bir döngüyü tamamlayabiliyor.
Yeni versiyonun bir diğer önemli özelliği eskisinin aksine pasif değil, aktif bir biçimde çalışması.
Eski versiyon sadece gece vakti açık havaya maruz bırakılıyor, gündüz vakti de güneş altında tutularak MOF’nin ısınması ve tuttuğu suyu bırakması bekleniyordu. Yeni cihazdaysa MOF’nin maruz kaldığı hava miktarını artırmak için güneş enerjisiyle çalışan fanlar kullanılıyor. Böylece malzeme çok daha kısa süre içinde çok daha fazla su tutabiliyor. Üstelik güneş panelleri ufak ısıtıcılara enerji sağlayarak tutulan suyun bırakılmasına da katkıda bulunuyor. Cihazın üzerindeki güneş panelleriyle bağlantılı piller, cihazın hiç durmaksızın gece gündüz çalışabilmesini sağlıyor.
Araştırmacılar, ürettikleri prototip cihazla Mojave Çölü’nde yaptıkları testler sırasında, kullanılan her bir kilogram MOF başına bir günde 0,7 litre su elde etmeyi başarmışlar. Hava sıcaklığının 25˚C’nin üzerinde, havadaki nem oranının da %7 civarında olduğu en kurak günlerde bile cihaz her bir kilogram MOF başına 0,2 litre su üretmeyi başarmış.
Araştırmacılar daha nemli ortamlarda her bir kilogram MOF başına günde 1 litre civarında su elde etmenin mümkün olabileceğini belirtiyorlar.
Örneğin mikrodalga fırın büyüklüğünde bir cihazla günde 7-10 litre, ufak bir buzdolabı büyüklüğünde bir cihazlaysa günde 200-250 litre su üretmek mümkün olabilir.
Prof. Dr. Yaghi, geliştirdikleri cihazın endüstriyel ölçekte üretimini ve satışını yapmak için bir şirket kurmuş. Yakın gelecekte mikrodalga büyüklüğünde su toplayıcıları üretip satmayı planlıyorlar.
