من الهواء إلى الماء: عمر ياغي ومستقبل الأمن المائي العالمي
تتناول هذه المقالة أزمة المياه العذبة العالمية في سياق تفاقم ندرة المياه، وتقدم نهجًا مبتكرًا لتوفير المياه: استخراج المياه الصالحة للشرب مباشرة من الغلاف الجوي باستخدام الأطر المعدنية العضوية (Metal-Organic Frameworks MOFs). وتستعرض حالة موارد المياه العالمية، وتوزيعها، وأسباب نقصها، واستراتيجيات التخفيف التقليدية، والجدوى التقنية والاقتصادية لتوليد المياه من الغلاف الجوي (ِAtmospheric Water Generation AWG)، مع التركيز بشكل خاص على أعمال عمر ياغي، الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء ورائد الكيمياء الشبكية.
مقدمة
الماء عنصر حيوي للحياة والتنمية الاقتصادية والاستدامة البيئية. ومع ذلك، تتعرض أنظمة المياه العذبة العالمية لضغوط غير مسبوقة. وتشير تقييمات حديثة للأمم المتحدة إلى أن البشرية قد دخلت حقبة من "الإفلاس" المائي العالمي، تتسم بنضوب مزمن للموارد وتدهور أنظمة المياه الطبيعية. ويعاني ما يقرب من 4 مليارات شخص من ندرة حادة في المياه لمدة شهر واحد على الأقل سنويًا، وتواجه المراكز الحضرية الكبرى في جميع أنحاء العالم إجهادًا مائيًا مستمرًا.
قراءة مقترحة
تقدم التقنيات الناشئة، بما في ذلك توليد المياه من الغلاف الجوي باستخدام مواد متطورة مثل الأطر المعدنية العضوية، حلولًا لامركزية محتملة. تُقيّم هذه المقالة بشكل نقدي نطاق الأزمة وآفاق هذه الابتكارات.
محاضرة عمر ياغي في جلسة منحه جائزة نوبل
1. موارد المياه العالمية وتوزيعها.
توافر المياه عالميًا.
على الرغم من أن حوالي 70% من سطح الأرض مغطى بالماء، إلا أن الغالبية العظمى منه مالحة. ولا تشكل المياه العذبة سوى حوالي 2.5% من إجمالي المياه العالمية، ونحو 1% فقط منها متاح بسهولة للاستخدام البشري (مثل الأنهار والبحيرات والمياه الجوفية الضحلة).
توزع المياه في العالم.
استخدام المياه حسب القطاعات.
تختلف معدلات سحب المياه عالميًا وفقاً للقطاع الاقتصادي على النحو التالي:
قطاع الزراعة: حوالي 72% من إجمالي سحب المياه العذبة عالميًا.
قطاع الصناعة: حوالي 15% من إجمالي سحب المياه العذبة عالميًا.
قطاع الاستخدام المنزلي: حوالي 13% من إجمالي سحب المياه العذبة عالميًا.
تمثل المياه الجوفية حوالي 50% من المياه المنزلية وحوالي 25% من مياه الري في العديد من المناطق.
التفاوتات الإقليمية.
تُعد مناطق مثل شمال أفريقيا وغرب آسيا وأجزاء من جنوب آسيا من بين المناطق الأقل حصولًا على المياه العذبة المتجددة للفرد على مستوى العالم، وغالبًا ما يتفاقم هذا الوضع بسبب ارتفاع معدلات السحب والنمو السكاني.
2. تعريف حجم ندرة المياه في العالم وتحديده.
النطاق والمقياس.
وفقًا لأحدث التقييمات، يتضح ما يلي:
مخطط ندرة المياه في العالم
• يعاني حوالي 4مليارات شخص من ندرة حادة في المياه لمدة شهر واحد على الأقل سنويًا.
• يفتقر حوالي 2.2 مليار شخص (27%) إلى إمكانية الحصول على مياه شرب مُدارة بشكل آمن.
• تستهلك الزراعة، وهي أكبر مستهلك للمياه، حوالي 72% من إجمالي المياه العذبة المسحوبة عالميًا.
الإجهاد المائي في المدن.
يقع نصف أكبر 100 مدينة في العالم في مناطق تعاني من إجهاد مائي مرتفع أو شديد، مما يُشكّل ضغطًا اقتصاديًا واجتماعيًا على أنظمة المياه البلدية.
عوامل ندرة المياه.
تشمل هذه العوامل:
• تغير المناخ الذي يُقلل من هطول الأمطار والغطاء الثلجي.
• استنزاف المياه الجوفية نتيجة الإفراط في استخراجها.
• تلوث النظم البيئية للمياه العذبة وتدهورها.
• النمو السكاني الذي يزيد الطلب.
يُقدّر أن العالم يفقد 324 مليار متر مكعب من المياه العذبة سنويًا بسبب جفاف القارات، وهو ما يكفي لتلبية الاحتياجات السنوية لـ 280 مليون نسمة.
3. مشاكل المياه العالمية وآثارها.
الآثار الاقتصادية والاجتماعية.
تؤثر ندرة المياه على إنتاج الغذاء، وسبل العيش، والإنتاج الصناعي. ويترتب على تدهور النظم المائية وفقدان الأراضي الرطبة عواقب اقتصادية واسعة النطاق.
الآثار البيئية.
يؤدي تقلص البحيرات وجفاف الأنهار ونضوب طبقات المياه الجوفية إلى تغيير النظم البيئية وتقليل التنوع البيولوجي. كما يُهدد ذوبان الأنهار الجليدية الناتج عن تغير المناخ إمدادات المياه لنحو ملياري شخص يعتمدون على مياه الذوبان.
النزاعات والأمن.
أصبح نقص المياه أيضًا سببًا للنزاعات في بعض المناطق، مع ازدياد حوادث العنف المرتبطة بالمياه في السنوات الأخيرة.
4. الحلول التقليدية وحدودها.
تحلية المياه.
توفر تقانة التحلية المياه العذبة من مياه البحر، لكنها تستهلك كميات كبيرة من الطاقة، ومكلفة، وتُشكل تحديًا بيئيًا بسبب التخلص من المحلول الملحي.
ترشيد المياه وإعادة استخدامها.
يمكن أن يُقلِّل إعادة تدوير المياه وإعادة استخدامها الطلب، لكن ذلك يتطلب استثمارات في البنية التحتية وتحسينات في الحوكمة.
إدارة المياه الجوفية.
يمكن لإعادة تغذية طبقات المياه الجوفية المُدارة والاستخراج المُنظم أن يُخففا من النضوب، لكن ذلك يتطلب أطرًا سياسية قوية.
5. توليد الماء من الهواء (AWG).
لمحة عامة عن تقنية توليد الماء من الهواء.
تعتمد أنظمة توليد الماء من الهواء التقليدية على تكثيف الرطوبة المحيطة من خلال دورات التبريد، إلا أنها غير فعالة في المناخات الجافة. وتستفيد الأساليب الحديثة من مواد امتصاص متطورة.
6. عمر ياغي: حياته المبكرة، مسيرته المهنية، وإسهاماته العلمية.
السيرة الذاتية والتعليم.
وُلد عمر محسن ياغي في عمّان، الأردن عام 1965. حصل على بكالوريوس العلوم في الكيمياء من جامعة ولاية نيويورك في ألباني، ثم على درجة الدكتوراه من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين. بعد إتمام دراسات ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد، انضم ياغي إلى هيئات التدريس الأكاديمية في العديد من الجامعات الأمريكية الرائدة قبل أن يصبح أستاذاً في جامعة كاليفورنيا في بيركلي.
الكيمياء الشبكية والشبكات المعدنية العضوية.
كان ياغي رائداً في مجال الكيمياء الشبكية، مما أدى إلى ابتكار الشبكات المعدنية العضوية (MOFs) - وهي شبكات بلورية مسامية ذات مساحات سطحية هائلة تُستخدم لاحتجاز جزيئات الغاز والرطوبة.
عمر ياغي والشبكات المعدنية العضوية (MOFs)
البنية المجهرية للشبكات المعدنية العضوية (MOFs).
الجوائز والتكريمات التي نالها عمر ياغي.
في عام 2025، حصل ياغي - بالتعاون مع سوسومو كيتاغاوا وريتشارد روبسون - على جائزة نوبل في الكيمياء لأبحاثهم حول المواد المسامية. أصبحت الشبكات المعدنية العضوية (MOFs) الآن أساسية في مجالاتٍ تشمل على احتجاز الكربون وحصاد المياه.
7. تحويل الهواء إلى ماء: الجدوى التقنية والاقتصادية.
أداء مولدات الماء الهوائية القائمة على الشبكات المعدنية العضوية (MOFs).
تستطيع أنظمة الشبكات المعدنية العضوية التجريبية عزل بخار الماء عند مستويات رطوبة منخفضة للغاية بالنسبة لمولدات الماء الهوائية التقليدية، وإطلاق الماء باستخدام حرارة منخفضة الدرجة، بما في ذلك الطاقة الشمسية المحيطة.
إنتاجية النماذج الأولية وقابلية التوسع.
تشير بعض النماذج الأولية إلى إنتاجية تصل إلى 20 ألف لتر لكل طن من الشبكات المعدنية العضوية يوميًا في ظل الشروط المثلى، حتى في البيئات القاحلة. تتطور هذه التقنية نحو تطبيقات تجارية قابلة للتوسع من خلال شركات ناشئة مثل أتوكو.
الاعتبارات الاقتصادية.
على الرغم من استمرار ارتفاع تكاليف إنتاج الشبكات المعدنية العضوية، إلا أن تحسينات التصنيع وتوفير التكاليف من شأنهما خفض التكاليف. تاريخيًا، تراوحت تكلفة أنظمة توليد المياه الجوفية التقليدية بين 0.08 و0.30 دولارًا أمريكيًا للغالون الواحد مع الاستخدام الأمثل للطاقة، مع وجود تباين إقليمي.
9. الآفاق المستقبلية.
الأمن المائي والاستدامة.
يمكن لأنظمة توليد المياه من الهواء، في حال انتشارها على نطاق واسع، أن توفر مصادر مياه لامركزية للمجتمعات النائية والزراعة والصناعة، لا سيما في المناطق التي تفتقر إلى البنية التحتية التقليدية للمياه.
التكامل مع الطاقة المتجددة.
يمكن لدمج أنظمة توليد المياه من الهواء مع أنظمة الطاقة الشمسية وأنظمة استعادة الحرارة المهدورة أن يُعزّز الاستدامة ويُقلِّل تكاليف التشغيل.
احتياجات السياسات والاستثمار.
يجب على صانعي السياسات إعطاء الأولوية للإدارة المتكاملة لموارد المياه، وتمويل البنية التحتية، والبحث في الحلول الناشئة مثل أنظمة توليد المياه من الهواء القائمة على الشبكات المعدنية العضوية.
الخاتمة.
يُعدّ نقص المياه العالمي أزمةً متعددة الأوجه تُؤثّر على مليارات البشر، مدفوعةً بتغيّر المناخ، والاستخدام المفرط، والتلوث. ورغم أهمية استراتيجيات إمداد المياه التقليدية، إلا أنها غير كافية بمفردها. وتمثّل الأساليب المبتكرة، مثل استخلاص الماء من الهواء باستخدام الشبكات المعدنية العضوية، إضافةً واعدةً، قادرةً على إحداث نقلة نوعية في الأمن المائي في المناطق القاحلة والمحرومة. ويُجسّد العمل الرائد لعمر ياغي كيف يُمكن للكيمياء الأساسية أن تُحدث أثراً إنسانياً وبيئياً واسع النطاق، مُقدّماً نموذجاً لكيفية تضافر العلم والسياسة لمواجهة تحديات المياه في القرن الحادي والعشرين.