2021-06-24
تُعد المياه العذبة أحد أندر الموارد على مستوى العالم، ويتم الحصول عليها بتكاليف كبيرة في بعض الدول. فالمجتمعات القريبة من المحيطات والبحار تستطيع استخدام تقنيات تحلية مياه البحر، على الرغم من أن القيام بذلك يتطلب كمية كبيرة من الطاقة.
لكن، وبعيداً عن الساحل، غالباً ما يكون الخيار الوحيد المتبقي عملياً هو تكثيف رطوبة الغلاف الجوي من خلال التبريد؛ إما من خلال عمليات تتطلب بالمثل مدخلات طاقة عالية، أو باستخدام تقنيات «سلبية» تستغل تأرجح درجات الحرارة بين النهار والليل.
إلا أن استخدام التقنيات السلبية الحالية، مثل رقائق تجميع الندى، لا يمكنها استخراج المياه إلا في الليل. وذلك لأن الشمس تسخن الرقائق أثناء النهار، مما يجعل التكثيف مستحيلاً.
طور باحثون في المعهد الأوروبي للتكنولوجيا في زيورخ ETH Zurich تقنية تتيح لهم، لأول مرة، حصاد المياه على مدار 24 ساعة، دون أي مدخلات للطاقة، حتى تحت أشعة الشمس الحارقة.
ويتكون الجهاز الجديد بشكل أساسي من لوح زجاجي مطلي بشكل خاص، يعكس في الوقت نفسه الإشعاع الشمسي ويشع أيضاً حرارته الخاصة عبر الغلاف الجوي إلى الفضاء الخارجي. وبذلك يبرد نفسه إلى ما يصل إلى 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت) تحت درجة الحرارة المحيطة.
على الجانب السفلي من هذا الزجاج، يتكثف بخار الماء من الهواء. هذه العملية هي نفسها التي يمكن ملاحظتها على النوافذ سيئة العزل في الشتاء.
قام العلماء بطلاء الزجاج بطبقات بوليمر وفضية مصممة خصيصاً. يتسبب هذا النهج الخاص في الطلاء في أن يصدر ذلك الجزء الأشعة تحت الحمراء عند نافذة ذات طول موجي محدد إلى الفضاء الخارجي، ما يمنع في الوقت ذاته امتصاص الحرارة على الإطلاق.
في الجهاز، يتواجد عنصر رئيسي آخر عبارة عن درع إشعاعي جديد مخروطي الشكل. ينحرف إلى حد كبير الإشعاع الحراري من الغلاف الجوي ويحمي اللوحة من أشعة الشمس الواردة، بينما يسمح للجهاز بإشعاع الحرارة إلى الخارج وبالتالي التبريد الذاتي، بشكل سلبي تماماً.
وعلى غرار الطريقة التي تتميز بها الخلايا الشمسية بالعديد من الوحدات التي تم إعدادها بجانب بعضها البعض، يمكن أيضاً وضع العديد من مكثفات المياه جنباً إلى جنب لتجميع نظام واسع النطاق.
وأظهرت اختبارات الجهاز الجديد في ظل ظروف العالم الحقيقي على سطح مبنى ETH في زيورخ إمكانية التقنية الجديدة إنتاج ما لا يقل عن ضعف كمية المياه في اليوم مقارنة بأفضل التقنيات السلبية الحالية القائمة على الرقائق.
وقال الباحثون إن النظام الجديد يوفر 4.6 مللي لتر من الماء يومياً في ظل ظروف العالم الحقيقي لكل 10 سنتيمترات من حجم الجهاز. وبالتالي، ستنتج الأجهزة الأكبر حجماً ذات الأجزاء الأكبر كمية أكبر من الماء.
ويهدف الباحثون إلى تطوير تقنية للبلدان التي تعاني من ندرة المياه، ولا سيما البلدان النامية والناشئة.
وأضاف الباحثون أن إنتاج الألواح المطلية بسيط نسبياً، كما أن بناء مكثفات مياه أكبر من النظام التجريبي الحالي ممكن.
لكن، وبعيداً عن الساحل، غالباً ما يكون الخيار الوحيد المتبقي عملياً هو تكثيف رطوبة الغلاف الجوي من خلال التبريد؛ إما من خلال عمليات تتطلب بالمثل مدخلات طاقة عالية، أو باستخدام تقنيات «سلبية» تستغل تأرجح درجات الحرارة بين النهار والليل.
إلا أن استخدام التقنيات السلبية الحالية، مثل رقائق تجميع الندى، لا يمكنها استخراج المياه إلا في الليل. وذلك لأن الشمس تسخن الرقائق أثناء النهار، مما يجعل التكثيف مستحيلاً.
طور باحثون في المعهد الأوروبي للتكنولوجيا في زيورخ ETH Zurich تقنية تتيح لهم، لأول مرة، حصاد المياه على مدار 24 ساعة، دون أي مدخلات للطاقة، حتى تحت أشعة الشمس الحارقة.
ويتكون الجهاز الجديد بشكل أساسي من لوح زجاجي مطلي بشكل خاص، يعكس في الوقت نفسه الإشعاع الشمسي ويشع أيضاً حرارته الخاصة عبر الغلاف الجوي إلى الفضاء الخارجي. وبذلك يبرد نفسه إلى ما يصل إلى 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت) تحت درجة الحرارة المحيطة.
على الجانب السفلي من هذا الزجاج، يتكثف بخار الماء من الهواء. هذه العملية هي نفسها التي يمكن ملاحظتها على النوافذ سيئة العزل في الشتاء.
قام العلماء بطلاء الزجاج بطبقات بوليمر وفضية مصممة خصيصاً. يتسبب هذا النهج الخاص في الطلاء في أن يصدر ذلك الجزء الأشعة تحت الحمراء عند نافذة ذات طول موجي محدد إلى الفضاء الخارجي، ما يمنع في الوقت ذاته امتصاص الحرارة على الإطلاق.
في الجهاز، يتواجد عنصر رئيسي آخر عبارة عن درع إشعاعي جديد مخروطي الشكل. ينحرف إلى حد كبير الإشعاع الحراري من الغلاف الجوي ويحمي اللوحة من أشعة الشمس الواردة، بينما يسمح للجهاز بإشعاع الحرارة إلى الخارج وبالتالي التبريد الذاتي، بشكل سلبي تماماً.
وعلى غرار الطريقة التي تتميز بها الخلايا الشمسية بالعديد من الوحدات التي تم إعدادها بجانب بعضها البعض، يمكن أيضاً وضع العديد من مكثفات المياه جنباً إلى جنب لتجميع نظام واسع النطاق.
وأظهرت اختبارات الجهاز الجديد في ظل ظروف العالم الحقيقي على سطح مبنى ETH في زيورخ إمكانية التقنية الجديدة إنتاج ما لا يقل عن ضعف كمية المياه في اليوم مقارنة بأفضل التقنيات السلبية الحالية القائمة على الرقائق.
وقال الباحثون إن النظام الجديد يوفر 4.6 مللي لتر من الماء يومياً في ظل ظروف العالم الحقيقي لكل 10 سنتيمترات من حجم الجهاز. وبالتالي، ستنتج الأجهزة الأكبر حجماً ذات الأجزاء الأكبر كمية أكبر من الماء.
ويهدف الباحثون إلى تطوير تقنية للبلدان التي تعاني من ندرة المياه، ولا سيما البلدان النامية والناشئة.
وأضاف الباحثون أن إنتاج الألواح المطلية بسيط نسبياً، كما أن بناء مكثفات مياه أكبر من النظام التجريبي الحالي ممكن.