علماء من السعودية والصين يتوصلون لطريقة أكثر كفاءة لاستخراج المياه من الغلاف الجوي

يؤثر نقص المياه العذبة على أكثر من ملياري شخص في العالم، وخاصة في المناطق القاحلة والنائية، فضلاً عن الجزر والمناطق الساحلية التي لا تتوفر فيها مصادر للمياه العذبة.

ويؤدي تغير المناخ والنمو السكاني إلى تفاقم المشكلة، وتتطلب الأساليب الحالية استخدام الطاقة، وعادة ما تكون كهربائية.

الطاقة المتجددة قادرة على حل هذه المشكلة، وهي مطلوبة في هذه المناطق لتوفير مياه الشرب والري، باستخدام المياه المستخرجة من الغلاف الجوي.

(ومن المقدر أن الغلاف الجوي يحتوي على نحو 13 تريليون طن من المياه، أي ستة أمثال المياه العذبة في أنهار العالم؛ كما يسمح الاحتباس الحراري العالمي للهواء باحتجاز المزيد من بخار الماء، بنسبة نظرية تبلغ 7% لكل درجة مئوية من الاحترار).

الآن، نجح مهندسون وعلماء من المملكة العربية السعودية والصين في ابتكار نظام يستخدم الطاقة الشمسية لاستخراج ما يصل إلى 3 لترات (0.8 جالون) من الماء لكل متر مربع يوميًا من الهواء، بطريقة سلبية تمامًا، ولا تتطلب صيانة أو مشغلين بشريين.

نُشرت الدراسة في مجلة Nature Communications .

تعويض احتياجات المياه للزراعة المستدامة لإنتاج الغذاء الآمن 

تم اختبار النظام باستخدام المياه المجمعة لزراعة الملفوف بنجاح خلال موسمين في ثول بالمملكة العربية السعودية .

وقال يو هان، أحد المشاركين في الدراسة من جامعة جنوب الصين للتكنولوجيا: “نهدف إلى تطبيق هذه التكنولوجيا لإنتاج المياه من الهواء لتعويض احتياجات المياه للزراعة المستدامة اللازمة لإنتاج الغذاء الآمن في الشرق الأوسط”.

تعتمد أنظمة استخراج المياه الجوية التي تعمل بالطاقة الشمسية عادةً على امتصاص بخار الماء من الهواء. وعندما تصل المادة الممتصة إلى التشبع، يتم إغلاق النظام وتعريضه لأشعة الشمس، مما يبدأ في إطلاق المياه الملتقطة، وهي تمثل تحسنًا مقارنة بتقنيات المياه الجوية السلبية مثل جمع الضباب والندى، وهي متاحة بشكل أكبر في مناطق جغرافية ومواقع أخرى ذات قيود مناخية.

لكن أنظمة SAWE هذه تسمح بدورة امتصاص وإطلاق واحدة فقط في اليوم، حيث تلتقط الرطوبة في الليل وتمتصها خلال النهار، مع تحديد مرحلة الامتصاص البطيئة لكمية المياه التي يمكن استخراجها.

كما أن الاستخدام الواسع النطاق لهذه المواد محدود بسبب تكلفة المواد النانوية الماصة، والتحديات التي تواجه توسيع نطاق النماذج الأولية، في حين يتطلب تبديل الدورات إما نظامًا نشطًا عرضة للانهيار أو عملية كثيفة العمالة مع أجزاء متحركة، مما يجعل الأنظمة معقدة وتستهلك الكثير من الطاقة.

جسور النقل الجماعي

ولتصميم نظام سلبي وفعال وسهل التوسع ويتطلب الحد الأدنى من العمالة، استخدمت المجموعة هيكلًا من قنوات دقيقة رأسية متعددة، تسمى جسور النقل الجماعي. وتمتلئ الأنابيب، الموضوعة في حاوية، بمحلول ملحي سائل يعمل كممتص للسوائل؛ وقد استخدموا كلوريد الليثيوم.

اعتمادًا على توزيع درجة الحرارة ، تقوم منطقة درجة الحرارة المحيطة المعرضة للبيئة باحتجاز الماء الجوي بشكل مستمر وتخزينه في حاوية. عندما يتلقى النظام ضوء الشمس، يحول الممتص الضوء إلى حرارة ويولد بخار ماء مركّز في المنطقة ذات درجة الحرارة المرتفعة.

يتكثف بخار الماء على جدار الغرفة، مما يؤدي إلى إنتاج مياه عذبة.

ويتحرك المزيد من المياه الملتقطة من حاوية الممتص دون انقطاع إلى المنطقة ذات درجة الحرارة المرتفعة.

وفي الوقت نفسه، يتم نقل السائل المركّز في المنطقة ذات درجة الحرارة المرتفعة إلى المنطقة ذات درجة الحرارة المحيطة عبر الانتشار – حركة الجزيئات من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى تركيز منخفض- وعن طريق الحمل الحراري – حركة المحلول الأكثر سخونة والأقل كثافة عبر المناطق الأكثر برودة والأكثر كثافة – مما يتيح التقاط بخار الماء بشكل مستمر طالما أن ضوء الشمس متاح.

ممتصًا للطاقة الشمسية من أنابيب الكربون النانوية

ولتنفيذ هذا النظام، ابتكر الفريق ممتصًا للطاقة الشمسية من أنابيب الكربون النانوية المؤكسدة جزئيًا على غشاء من الألياف الزجاجية.

وامتص سواد أنابيب الكربون النانوية والهياكل الدقيقة التي تحبس الضوء حوالي 96% من ضوء الشمس عندما تكون مبللة.

ووجدوا أن الارتفاعات المثلى لمنطقة توليد البخار ومنطقة التقاط الماء الجوي كانت 3 و5 سم على التوالي.

لاختبار هذا الإعداد على مدى فترة إنتاج مدتها ثمانية أيام، استخدموا ثماني ساعات من ضوء الشمس تليها 16 ساعة من الظلام.

ووجدوا أنه مع زيادة الرطوبة النسبية من 60% إلى 90%، زاد معدل إنتاج المياه من حوالي 0.04 إلى حوالي 0.65 كيلوجرام لكل متر مربع في الساعة.

وكاختبار عملي ميداني في المملكة العربية السعودية، تمت زيادة مساحة التبخر إلى 13.5 سم × 24 سم، أي أكبر من النموذج الأولي بنحو 36 مرة. وأنتج هذا التكوين 2.9 لتر لكل متر مربع يوميًا، ويختلف ذلك حسب الطاقة الشمسية المستلمة والرطوبة النسبية.

هذه الكمية أكبر بأربع مرات من مشروع المياه الجوية لعام 2021 وأعلى بـ 27 مرة من مشروع SAWE لعام 2017 .

وفي اختبار أُجري في بابوا غينيا الجديدة، ارتفع هذا المعدل إلى 4.6 لتر لكل متر مربع يوميًا.

وقال المؤلف المشارك تشياو تشيانج جان من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتكنولوجيا في المملكة العربية السعودية: “من المثير للدهشة أن المياه المحصودة تم استخدامها بنجاح في ري نبات براسيكا رابا (الملفوف الصيني) خارج الشبكة، مما يدل على إمكانية زراعة البساتين الخالية من الصيانة في المناطق التي لا تتوفر فيها مصادر المياه السائلة”.