قام مهندسو MIT وشركاؤهم بتطوير جهاز مدعوم بالطاقة الشمسية يتجنب مشكلة انسداد الملح التي تواجه تصاميم أخرى. يهدف مهندسو MIT ومهندسون في الصين إلى تحويل مياه البحر إلى مياه شرب باستخدام جهاز غير نشط تمامًا مستوحى من المحيط ومدعوم بأشعة الشمس.
في ورقة بحثية نشرت في 27 سبتمبر في مجلة Joule، يقوم فريق البحث بشرح تصميم منظومة تحلية شمسية جديدة تأخذ مياه مالحة وتسخنها باستخدام أشعة الشمس الطبيعية.
تتيح تكوينات الجهاز للمياه التداول في دوامات متجولة، بطريقة تشبه إلى حد كبير التدوير “الحراري-الملحي” الأكبر في المحيط. تساهم هذه التدوير، بالإضافة إلى حرارة الشمس، في تبخر المياه وترك الملح خلفه. يمكن بعد ذلك تكثيف بخار الماء الناتج وجمعه كمياه نقية صالحة للشرب. في الوقت نفسه، يستمر الملح الزائد في التداول من خلال الجهاز والخروج منه، بدلاً من التراكم وانسداد النظام.
زيادة الكفاءة والأداء
النظام الجديد لديه معدل إنتاج مياه أعلى ومعدل رفض الملح أعلى من جميع مفاهيم تحلية الطاقة الشمسية النشطة الأخرى التي تجرى حاليًا اختبارات عليها.
يقدر الباحثون أنه إذا تم تكبير النظام ليصبح بحجم حقيبة صغيرة، يمكن أن ينتج حوالي 4 إلى 6 لترات من مياه الشرب في الساعة ويستمر لعدة سنوات قبل الحاجة إلى قطع الغيار. في هذا الحجم والأداء، يمكن للنظام أن ينتج مياه الشرب بمعدل وبسعر أرخص من مياه الصنبور.
“لأول مرة، يمكن للماء الذي يتم إنتاجه بواسطة أشعة الشمس أن يكون أرخص حتى من مياه الصنبور”، كما يقول لينان زانغ، عالم أبحاث في مختبر بحوث الأجهزة في MIT.
الفريق يتصوّر أنه بإمكان جهاز بأبعاد أكبر أن ينتج مياه شرب بشكل نشط تلبي احتياجات الأسرة الصغيرة يوميًا. ويمكن أيضًا للنظام أن يزوّد المجتمعات الساحلية المعزولة عن الشبكة الكهربائية حيث يمكن الوصول بسهولة إلى مياه البحر.
تشمل مؤلفي دراسة زانغ زميل الدراسات العليا في MIT يانغ زونغ وإيفلين وانغ، أستاذة فورد للهندسة، بالإضافة إلى جينتونج جاو، جينفانج يو، جانيو يي، روزهو وانج، وجنيان زو من جامعة شنغهاي جياو تونج في الصين.
تطور التصميم
يعتقد الفريق أن نظامهم الجديد يعتمد على تحسين تصميمهم السابق – مفهوم مماثل لعدة طبقات يُسمى مراحل. تحتوي كل مرحلة على جهاز تبخير وجهاز تكثيف استخدما حرارة الشمس لفصل الملح عن المياه الواردة بشكل غير نشط. هذا التصميم، الذي اختبره الفريق على سطح مبنى MIT، حول بكفاءة طاقة الشمس لتبخير الماء، الذي تم تكثيفه بعد ذلك إلى ماء صالح للشرب. ولكن الملح الزائد الذي تركته سرعان ما تراكم كبلورات تسد النظام بعد أيام قليلة. في الإعداد الواقعي، يتعين على المستخدم وضع مراحل بشكل متكرر، مما سيزيد بشكل كبير من تكلفة النظام الإجمالية.
في مجهود متابع، وضعوا حلاً يحمل تكوينًا متعدد الطبقات مماثلًا، وهذه المرة بميزة إضافية تساعد على تداول المياه الواردة بالإضافة إلى أي ملح زائد. بينما منع هذا التصميم ترسب الملح وتراكمه على الجهاز، إلا أنه حول مياه محلاة بمعدل منخفض نسبيًا.
في التحسين الأخير، يعتقد الفريق أنهم وصلوا إلى تصميم يحقق كل من معدل إنتاج المياه العالي ورفض الملح العالي، مما يعني أن النظام يمكن أن ينتج مياه شرب بسرعة وموثوقية لفترة طويلة. مفتاح تصميمهم الجديد يكمن في مزيج من فكرتيهم السابقتين: نظام متعدد المراحل من الأبخرة وأجهزة التكثيف، والذي تم تكوينه أيضًا لزيادة دوران المياه – والملح – داخل كل مرحلة.
“نقدم الآن تدفقًا أكثر قوة، مماثلاً لما نراه عادة في المحيط، على مقياس الكيلومترات”، كما يقول زو.
التدوير الصغير الذي تولده نظام الفريق الجديد مشابه لتدوير “الحراري-الملحي” في المحيط – ظاهرة تحرك المياه حول العالم بناءً على اختلافات في حرارة البحر (“حراري”) وملوحته (“ملحي”).
“عندما تتعرض مياه البحر للهواء، تدفع أشعة الشمس المياه للتبخر. بمجرد أن تغادر المياه السطحية، يبقى الملح. وكلما زاد تركيز الملح، زادت كثافة السائل، وهذه المياه الثقيلة ترغب في الاندفاع للأسفل”، كما يشرح زانغ. “من خلال تقليد هذه الظاهرة الكيلومترية في صندوق صغير، يمكننا الاستفادة من هذا الميزة لرفض الملح.”
آليات النظام
جوهر تصميم الفريق الجديد هو مرحلة واحدة تشبه صندوقًا رقيقًا، يُغطى بمادة داكنة تمتص حرارة الشمس بكفاءة. داخل الصندوق، يتم تقسيمه إلى قسمين علوي وسفلي. يمكن للمياه أن تتدفق من خلال النصف العلوي، حيث يتم تغطية السقف بطبقة تبخير تستخدم حرارة الشمس لتسخين الماء وتبخيره عند الاتصال المباشر. يُوجه بخار الماء بعد ذلك إلى النصف السفلي من الصندوق، حيث تبرد البخار بواسطة طبقة التكثيف الهوائية ليتحول إلى سائل خالٍ من الملح. ثم قام الباحثون بوضع الصندوق بزاوية داخل وعاء أكبر فارغ، ثم أرفقوا أنبوبًا من النصف العلوي للصندوق نحو القاع الخارجي للوعاء، وعلقوا الوعاء في مياه مالحة.
بهذا التكوين، يمكن للمياه دفع نفسها بشكل طبيعي عبر الأنبوب وداخل الصندوق، حيث يجعل ميل الصندوق بالإضافة إلى الطاقة الحرارية من الشمس المياه تدور أثناء تدفقها. تساعد الدوامات الصغيرة في جلب المياه في اتصال مع طبقة التبخير العلوية وتبقي الملح في التدوير، بدلاً من الترسب والانسداد.
بنى الفريق عدة نماذج تجريبية، بمرحلة واحدة وثلاث وعشر مراحل، واختبروا أدائها في مياه مالحة متنوعة، بما في ذلك مياه البحر الطبيعية ومياه ملحية بمعدل سبع مرات.
من خلال هذه الاختبارات، قام الباحثون بحساب أنه إذا تم تكبير كل مرحلة لتصبح مربعًا متريًا، ستنتج ما يصل إلى 5 لترات من مياه الشرب في الساعة، وأن النظام يمكن أن يحل ملح المياه دون تراكمه لعدة سنوات. نظرًا لعمره الممتد هذا، وحقيقة أن النظام غير نشط تمامًا ولا يتطلب كهرباء للتشغيل، يقدر الفريق أن تكلفة تشغيل النظام بشكل عام ستكون أرخص مما يكلف إنتاج مياه الصنبور في الولايات المتحدة.
“نحن نظهر أن هذا الجهاز قادر على تحقيق عمر طويل”، كما يقول زونغ. “وهذا يعني، لأول مرة، أنه من الممكن أن تكون مياه الشرب المنتجة بواسطة أشعة الشمس أرخص من مياه الصنبور. هذا يفتح الباب أمام تحلية الطاقة الشمسية لمعالجة مشاكل العالم الحقيقية.”
“هذا هو نهج مبتكر للغاية يخفف بفعالية التحديات الرئيسية في مجال تحلية المياه”، كما يقول جويهوا يو، الذي يطور أنظمة مستدامة لتخزين المياه والطاقة في جامعة تكساس في أوستن، ولم يكن ضمن الباحثين القائمين على البحث. “التصميم مفيد بشكل خاص للمناطق التي تعاني من مياه عالية الملوحة. تصميمه القابل للتطوير يجعله مناسبًا لإنتاج المياه المنزلية، مما يسمح بالتوسع والتكيف لتلبية الاحتياجات الفردية.”
