إرواء عطش العالم الجاف: حاصدات المياه في الغلاف الجوي التي تعمل بالوقود المضغوط

مع استمرار ارتفاع عدد سكان العالم وتغير المناخ الذي يعطل مصادر المياه التقليدية، لم تكن الحاجة إلى نهج مبتكرة لإنتاج المياه العذبة أكثر إلحاحًا من أي وقت مضى. ويعيش أكثر من 4 مليارات شخص في جميع أنحاء العالم في مناطق تعاني من نقص المياه، ويتوقع الخبراء أن يزداد هذا العدد في العقود القادمة. وتتطلب مواجهة هذا التحدي الكبير تقنيات لا مركزية وموثوقة يمكنها استخراج المياه من الهواء، حتى في أكثر المناخات جفافاً.

ظهر حل واعد في شكل أجهزة تجميع المياه في الغلاف الجوي القائمة على الامتزاز (SAWH). وتستفيد هذه الأنظمة من مواد مسامية تسمى المواد الماصة لالتقاط بخار الماء من الهواء من خلال عملية امتزاز وامتصاص دورية. وقد شهدت السنوات الأخيرة تقدمًا سريعًا في مجال أجهزة SAWH، مع وجود مواد ماصة جديدة وتصميمات مبتكرة للأجهزة تدفع حدود ما هو ممكن. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات هندسية كبيرة قبل أن يتم نشر تقنية SAWH على نطاق واسع كحل قابل للتطبيق في جميع أنحاء العالم.

وقد واجه الباحثون في جامعة يوتا هذه التحديات بشكل مباشر، حيث قاموا بتطوير نموذج أولي هو الأول من نوعه في مجال الطاقة الشمسية المدمجة التي تستفيد من التدوير السريع المدمج والامتصاص بالوقود لتحقيق إنتاج غير مسبوق للمياه في مساحة صغيرة. ويمثل جهازهم "جهاز "التدوير السريع المدمج الذي يعمل بالوقود" (CRCF) خطوة كبيرة إلى الأمام في جعل تقنية SAWH حقيقة عملية، ومعالجة القيود الرئيسية التي أعاقت اعتماد هذه التقنية الواعدة على نطاق واسع.

البحث عن أجهزة ماصة ماصة مدمجة وعالية الأداء
تعمل أجهزة السوائل الماصة عالية الأداء عن طريق تدوير المواد الماصة من خلال مراحل الامتزاز والامتصاص. أثناء الامتزاز، تمتص المادة الماصة بخار الماء من الهواء المحيط. عندما تصبح المادة الماصة مشبعة، يتم تسخينها بعد ذلك لإطلاق الماء المحتجز، والذي يتم تكثيفه بعد ذلك في شكل سائل. وتسمح هذه العملية الدورية لأنظمة SAWH بإنتاج المياه العذبة باستمرار من الهواء.

في حين أن المفهوم الأساسي للمياه والصرف الصحي الماصّة واضح ومباشر، فقد ثبت أن تحسين أداء هذه الأجهزة وصغر حجمها يمثل تحديًا. المقياس الرئيسي هو الإنتاجية اليومية للمياه (P)، والتي تقيس كمية المياه المنتجة لكل وحدة كتلة من المواد الماصة. ويُعد تعظيم إنتاجية المياه الماصة أمرًا بالغ الأهمية لتقليل حجم وتكلفة أنظمة السحب والإزالة. ومن المقاييس المهمة الأخرى الإنتاجية الحجمية (Pv)، والتي تقيس كمية المياه المنتجة يوميًا لكل وحدة حجم من نظام الامتزاز. ويتيح ارتفاع الإنتاجية الحجمية إمكانية استخدام أجهزة مدمجة وفعالة من حيث المساحة.

وقد ركزت الابتكارات الحديثة في مجال امتصاص الماء والامتصاص والامتصاص السريع على تطوير مواد ماصة جديدة ذات امتصاص عالٍ للماء وحركية امتصاص/امتصاص سريعة. وقد برزت الأطر المعدنية العضوية (MOFs) كفئة مواد ماصة واعدة بشكل خاص، حيث توفر قدرات استثنائية لامتصاص الماء. ومع ذلك، فإن التقدم المادي وحده لا يكفي، إذ تلعب الهندسة على مستوى النظام دورًا حيويًا في إطلاق الإمكانات الكاملة لامتصاص المياه في المياه الجوفية العالية.

ويوضح سمير راو، المؤلف الرئيسي للدراسة والأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية في جامعة يوتا: "غالبًا ما أغفلت الأبحاث المعاصرة في مجال الطاقة الشمسية والمائية العالية الحرارة أهمية تصميم النظام وتكامله". "إن تحقيق أداء عالٍ في كل من مقاييس الإنتاجية - P و Pv - أمر بالغ الأهمية لجعل تقنية SAWH تقنية عملية قابلة للنشر على نطاق واسع."

أدرك راو وفريقه أن معالجة التحديات على مستوى النظام في مجال الطاقة الشمسية لتحلية المياه والصرف الصحي بالطاقة الشمسية تتطلب نهجًا جديدًا. وكان الحل الذي توصلوا إليه هو جهاز CRCF، الذي يعالج قصورين رئيسيين في أنظمة الطاقة الشمسية الحالية: الاعتماد على الطاقة الشمسية المتقطعة للامتصاص، وصعوبة تحقيق إنتاج مياه مضغوط وعالي الكثافة.

تزويد مستقبل حصاد المياه في الغلاف الجوي بالوقود
غالبًا ما تستخدم أجهزة حصاد المياه في الغلاف الجوي التقليدية الطاقة الشمسية أو الكهرباء لتشغيل عملية الامتصاص، حيث يتم إطلاق المياه الملتقطة من المادة الماصة. يعمل هذا النهج بشكل جيد في المواقع المشمسة والمتصلة بالشبكة، ولكنه يفرض قيودًا كبيرة. فالأنظمة التي تعمل بالطاقة الشمسية تعتمد على ساعات النهار وظروف الطقس، بينما تتطلب الأنظمة التي تعمل بالكهرباء تخزين طاقة مكلفة لتشغيلها بشكل مستمر.

ويتبع النموذج الأولي لجهاز CRCF الذي طوره راو وفريقه نهجاً مختلفاً باستخدام مصدر حراري مدمج قائم على الاحتراق لتشغيل عملية الامتصاص. من خلال الاستفادة من كثافة الطاقة العالية للوقود السائل، يمكن لجهاز CRCF أن يعمل بشكل مستقل عن الشمس أو الشبكة الكهربائية، مما يتيح إنتاج المياه بشكل موثوق به طوال اليوم.

"يقول راو: "إن الامتزاز الذي يعمل بالوقود هو تغيير قواعد اللعبة بالنسبة لنظام حصاد المياه والصرف الصحي في جنوب غرب آسيا. "فهو يسمح لنا بفصل النظام عن مصادر الطاقة المتقطعة، مما يمهد الطريق لحصاد المياه المستقل حقًا خارج الشبكة."

ويتميز جهاز CRCF بمبادل حراري ممتز مصمم خصيصًا (AHX) يضم المادة الماصة - في هذه الحالة، موف موف من الألومنيوم الفوماراتي. يتم توصيل المبادل الحراري AHX بمصدر حرارة يعمل بالوقود عبر مجموعة أنابيب حرارية سلبية تنقل حرارة الاحتراق بكفاءة إلى المادة الماصة للامتصاص. أثناء مرحلة الامتزاز، يتم سحب الهواء المحيط من خلال AHX، مما يسمح لمفاعل الأكسيد الهيدروجيني بالتقاط بخار الماء. عندما تصبح المادة الماصة مشبعة، توفر الأنابيب الحرارية الطاقة الحرارية اللازمة لإطلاق الماء، الذي يتم تكثيفه وتجميعه بعد ذلك.

هذا النهج الذي يعمل بالوقود لا يتيح التشغيل المستمر فحسب، بل يسمح أيضًا بتصميم جهاز أكثر إحكاما مقارنة بالأنظمة التي تعمل بالطاقة الشمسية. ويوضح راو قائلاً: "من خلال الاستغناء عن الحاجة إلى الألواح الشمسية الضخمة وتخزين الطاقة، يمكننا تجميع جهاز CRCF في مساحة أصغر بكثير". "وهذه ميزة حاسمة للنشر في العالم الحقيقي، حيث تكون المساحة وقابلية النقل في كثير من الأحيان أعلى من غيرها."

اختبار النموذج الأولي وتحسين الأداء
للتحقق من صحة مفهوم نموذج CRCF وتحديد الفرص المتاحة لمزيد من التحسين، أجرى الباحثون سلسلة من التجارب الداخلية والخارجية. تم اختبار النموذج الأولي في البداية في بيئة مختبرية خاضعة للرقابة، حيث حقق إنتاجية مياه يومية تبلغ 0.95 كجم لكل كجم من رغاوي الماء المتعددة الفلزات وإنتاجية حجمية تبلغ 38.5 كجم لكل متر مكعب من أكسيد الهيدروجين المائي يوميًا.

بعد ذلك أخذ الفريق جهاز CRCF إلى الخارج، وأخضعوه للظروف القاسية والقاحلة في مدينة سولت ليك سيتي بولاية يوتا. وعلى مدار 25 ساعة، أكمل النموذج الأولي خمس دورات متواصلة لحصاد المياه، حيث أنتج ما مجموعه 266 غراماً من الماء السائل. وعلى الرغم من أن هذا الأداء في الهواء الطلق كان أقل بقليل من الاختبارات الداخلية، إلا أنه لا يزال يمثل إنجازاً كبيراً نظراً للظروف البيئية الصعبة.

يقول راو: "قدمت التجارب الخارجية رؤى قيمة حول التحديات الواقعية التي تواجهها السوائل في العالم الحقيقي، مثل تأثير درجات الحرارة المنخفضة والرطوبة على حركية الامتزاز". "ستكون هذه الدروس المستفادة مهمة للغاية بينما نعمل على تحسين تصميم مرفق الامتزاز الموحّد."

كان أحد القيود الرئيسية التي تم تحديدها أثناء الاختبار هو كفاءة عملية تكثيف الماء. فقد وجد الفريق أن جزءًا كبيرًا من بخار الماء الممتص لم يتكثف بنجاح، مما قلل من إنتاجية الماء الكلية للنظام. وتُعد هذه المشكلة تحديًا شائعًا في أجهزة السخان المائي الحراري المائي الآمن، حيث إن وجود غازات غير قابلة للتكثيف (مثل الهواء) يمكن أن يعيق عملية التكثيف.

ولمعالجة هذه المشكلة، استكشف الباحثون استراتيجيات لتعزيز كفاءة التكثيف، مثل دمج نظام تدوير الهواء في حلقة مغلقة. ومن خلال إعادة تدوير تيار الهواء الممتص، تمكنوا من زيادة معدل التكثيف وتحسين الأداء الكلي لتجميع المياه.

واستنادًا إلى هذه الرؤى التجريبية، تحول فريق البحث إلى النمذجة الحاسوبية لاستكشاف مساحة التصميم وتحديد الفرص المتاحة لمزيد من التحسين. وباستخدام إطار المحاكاة الذي تم التحقق من صحته، أجرى الفريق دراسة بارامترية لفهم العلاقات بين متغيرات التصميم الرئيسية - مثل سمك زعانف المادة الماصة ومدى اقتطاع الامتزاز - ومقاييس P و Pv للنظام.

كانت نتائج دراسة التحسين هذه مثيرة للإعجاب. فمن خلال الضبط الدقيق لهندسة AHX وأنماط التدوير، تمكن الباحثون من ضبط هندسة AHX بعناية، تمكن الباحثون من وضع نظام CRCF قادر على تحقيق إنتاجية مياه يومية تبلغ 3.19 كجم لكل كجم من موف وإنتاجية حجمية تبلغ 718 كجم لكل متر مكعب من AHX يوميًا. وتمثل هذه الأرقام تحسنًا بمقدار 1.53 ضعفًا و2.13 ضعفًا، على التوالي، مقارنةً بأحدث ما توصلت إليه أجهزة السوائل والماء والهواء القائمة على الرغوة المفلورة بدون تبريد.

ويوضح راو قائلاً: "يكمن مفتاح فتح هذا التعزيز في الأداء في قدرتنا على تدوير المواد الماصة بسرعة وزيادة إنتاج المياه لكل وحدة حجم". "ويوفر تصميم CRCF، من خلال الامتزاز الذي يعمل بالوقود والمبادل الحراري المدمج، المرونة اللازمة لتحسين هذه المعلمات الحرجة."

توسيع النطاق من أجل التأثير العالمي
إن النموذج الأولي الذي طوره فريق جامعة يوتا ليس مجرد إثبات للمفهوم؛ فهو يمثل خطوة مهمة نحو جعل نظام المياه والصرف الصحي المائي عالي الكفاءة حلاً قابلاً للتطبيق لمعالجة ندرة المياه العالمية. ومن خلال الجمع بين التصميم المبتكر للنظام والمواد عالية الأداء، أظهر الباحثون الإمكانات غير المستغلة لهذه التكنولوجيا.

"ويقول راو: "الأمر المثير حقًا في نهج CRCF هو قابليته للتوسع والتكيف. "إن طبيعة تصميم AHX المبنية على شكل كتل بناء تعني أنه يمكننا بسهولة توسيع نطاق النظام لتلبية احتياجات المياه للمجتمعات من جميع الأحجام، من الأسر الفردية إلى البلديات الكبيرة."

وبالفعل، يتصور الباحثون مستقبلاً يتم فيه نشر أجهزة حصادات المياه التي تعمل بالوقود في جميع أنحاء العالم، مما يوفر إمكانية الوصول الموثوق إلى المياه العذبة حتى في أكثر المناطق القاحلة. ومن خلال فصل النظام عن الشمس والشبكة، يمكن أن تصبح هذه الحصادات التي تعمل بالوقود مغيرًا لقواعد اللعبة في المجتمعات خارج الشبكة وجهود الإغاثة في حالات الكوارث، حيث غالبًا ما يكون الحصول على المياه النظيفة تحديًا كبيرًا.

"يقول راو: "في نهاية المطاف، هدفنا هو إطلاق الإمكانات الكاملة لنظام حصاد المياه في الغلاف الجوي وجعلها واقعًا عمليًا لمن هم في أمس الحاجة إليها. "إن النموذج الأولي لصندوق CRCF هو خطوة مهمة في هذا الاتجاه، ونحن متحمسون لمواصلة دفع حدود ما هو ممكن في مجال حصاد المياه في الغلاف الجوي."

ومع اشتداد أزمة المياه العالمية، فإن الحلول المبتكرة مثل جهاز CRCF ستكون حاسمة في إرواء عطش المناطق القاحلة حول العالم. وبالاستفادة من وفرة بخار الماء في الغلاف الجوي وفصله عن مصادر الطاقة المتقطعة، تبشر هذه الحصادات التي تعمل بالوقود بتوفير وصول موثوق ولا مركزي للمياه العذبة - وهي خطوة حيوية نحو مستقبل أكثر استدامة وإنصافاً.

المرجع (المراجع)

1. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102115

انقر على TAGS للاطلاع على المقالات ذات الصلة :

تغير المناخ |البيئة