تحلية المياه بالطاقة الشمسية وبكفاءة عالية

توفرُ الأجهزة المحمولة التي تستخدم ضوء الشمس لإزالة الأملاح من مياه البحر مياهاً صالحةً للشرب في المناطق الساحلية النائية أو القاحلة. لقد عانت تقنيات تحلية المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية من قلة الكفاءة. تمكن باحثون حديثاً من إيجاد نظام تحلية مياه عالي الكفاءة متعدد المراحل يمكنه إنتاج (5.8) لتراً من الماء العذب في الساعة تحت الشمس الساطعة أي ما يقارب ثلاثة أضعاف الكمية التي أنتجتها أجهزة مماثلة في الماضي (Energy Environ. Sci. 2020, DOI: 10.1039/C9EE04122B).

محطات تحلية المياه التقليدية والتي تعتمد على الأغشية تكون غالية الثمن أو تستهلك الكثير من الطاقة. تحلية المياه بالطاقة الشمسية الحرارية هي أقل تكلفة ولكنها أيضاً أقل كفاءة كما تتطلب مرايا مكافئة ضخمة لتركيز الضوء على مياه البحر لتبخيره. لا يناسب أيٌّ من التقنيتين المناطق النائية أو قليلة الموارد. تعالج الأجهزة المحمولة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية هذه المشكلة و عادة ما تستخدم هذه الأجهزة موادَ امتصاص أشعة شمس أقل تكلفة و التي تسخن وتبخر مياه البحر. يتم جمع الأبخرة على مكثف ومنه يتجمع الماء العذب. يمكن لأفضل الأنظمة تحويل أكثر من 90% من طاقة الشمس لتوليد بخار الماء.

ابتكرت إيفلين وانغ من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، و روزهو وانغ من جامعة جياو تونغ بشانغهاي و زملاؤهم نظاماً متعدد المراحل يتجاوز هذا الحد بكثير، حيث تمكنوا من رفع الكفاءة إلى 385% عند الاختبار في ظروف مثالية. و قد تمكنوا من ذلك من خلال إعادة استخدام الحرارة المنبعثة من تكثف بخار الماء إلى سائل. هذا النظام هو الأول من نوعه الذي يستفيد من هذه الطاقة والتي عادة ما تضيع.

يحتوي الجهاز على عشرة إطارات نايلون مطبوعة بالتقنية ثلاثية الأبعاد (3D) مكدسة وموضوعة عامودياً على خزان الماء. يحتوي كل إطار على منشفة ورقية تعمل كمبخر و فيلم من الألومنيوم يعمل كمكثف. يضع الباحثون على الجانب المواجه للشمس من الإطار ماصاً أسود اللون لامتصاص الطاقة الشمسية الذي بدوره يسخن و يبخر الماء الذي يُمتص من قبل المنشفة الورقية. وعندما تتكثف الأبخرة على فيلم الألمنيوم، تُسيّر الحرارة المنبعثة إلى المنشفة الورقية الثانية (أي في الإطار الثاني) وهكذا تتكرر العملية حتى آخر الإطارات المُكدسة. يقول لينان تشانغ طالب الدراسات العليا في فريق وانج، إن هذا النهج متعدد المراحل قد استُخدِمَ في محطات تحلية المياه بالطاقة الشمسية الحرارية ذات السعات الكبيرة. و يتابع قائلاً: “لقد نقلنا هذه الفكرة إلى تصميم محمول”.

أنتج الجهاز ذو الابعاد (10 سم × 10 سم) في المختبر 5.8 لتراً من الماء في الساعة. في الظروف الأدنى من المثالية، على سطح معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في فصل الصيف، كان أداء الجهاز أقل، حوالي 50% بسبب الغيوم والرياح في بعض الأحيان. على السطح، أنتج الجهاز 72 مل من الماء في أربع ساعات ونصف. يقول تشانغ لتلبية متوسط الإحتياجات اليومية من المياه لشخص بالغ أو لعائلة صغيرة، يمكن إنشاء مجموعة من الأجهزة متعددة المراحل وتنسيقها.

يريد الفريق الآن تحسين الجهاز ومتابعة تقليل تكلفة المواد. يقول تشانغ بأن النموذج الأولي يُكلف الآن حوالي 1.50 دولار، ولكن 70% من هذه التكلفة هي إطارات النايلون المطبوعة بالتقنية ثلاثية الأبعاد، لذلك لا يزال هناك مجال للتحسين.

يقول هادي قاسمي، و هو مهندس ميكانيكي في جامعة هيوستن بإنه نهج ذو كفاءة عالية واقتصادي من حيث التكلفة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية. “هذا العمل يجعل مفهوم تركيز الحرارة الشمسية خطوة أقرب إلى التنفيذ على نطاق واسع.” و يتابع قائلاً بأن استخدام مواد امتصاص مختلفة ذات خصائص مضادة لنمو البكتريا سيساعد على الأداء الثابت على المدى الطويل لهذا الجهاز.