حلول بحثية مبتكرة لتعزيز الأمن المائي في السعودية

محطات تجريبية في «كاوست» لتحلية المياه بطريقة بيئية وتحويل النفايات إلى موارد

حلول بحثية مبتكرة لتعزيز الأمن المائي في السعودية
TT

حلول بحثية مبتكرة لتعزيز الأمن المائي في السعودية

حلول بحثية مبتكرة لتعزيز الأمن المائي في السعودية

ندرة موارد المياه العذبة وتأثرها بالتغيّر المناخي والنمو السكاني العالمي، كان مثار اهتمام بالغ لمركز تحلية وإعادة استخدام المياه (WDRC) في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)، بقيادة البروفسور هانز فروينفيلد، الأستاذ في العلوم والهندسة البيئية ومدير المركز، حيث شكل هذا الموضوع حافزاً للبحث عن حلول مبتكرة لمواجهة التحديات العالمية المتمثلة في أمن المياه واستدامتها وسلامتها.

- ندرة المياه
يشير تقرير صادر عن برنامج الأمم المتحدة الإنمائي، إلى أن ندرة المياه تهدد التنمية في المنطقة العربية؛ إذ يؤدي كل من انخفاض وتذبذب معدلات سقوط الأمطار، وارتفاع معدلات التبخر، وتكرار موجات الجفاف إلى انخفاض القدرة على الاعتماد على الموارد المائية وتوفرها. ورغم شغل البلدان العربية 1 في المائة من مساحة العالم، فإن متوسط سقوط الأمطار السنوي لا يبلغ فيها إلا 2.1 في المائة ولا تتخطى كمية الموارد المائية الداخلية المتجددة في المنطقة إلا 6 في المائة.
وفي مختبرات «كاوست» يقوم البروفسور فروينفيلد وزملاؤه بالعمل على تحسين التقنيات الحالية، وتطوير طرق جديدة لمعالجة المياه؛ إذ يعمل المركز على ثلاثة محاور بحثية رئيسية، تتمثل في: تحلية المياه بطريقة أكثر مراعاة للبيئة، وأمن المياه، وتحويل النفايات إلى موارد. ويهدف المحور الأخير إلى الاستفادة من مياه الصرف الصحي، واستخلاص المياه والطاقة والمعادن والعناصر الغذائية منها.

- محطات تجريبية
يقول فروينفيلد: «لعرض عملنا، بنينا محطات تجريبية لتحلية المياه، ومعالجة مياه الصرف في (كاوست). ولتطبيق تحلية المياه بطريقة أكثر مراعاة للبيئة، يعمل الباحثون على تقليل الآثار البيئية المرتبطة بالعملية بتحسين الكفاءة، وتقليل استخدام المواد الكيميائية أو وقفها نهائياً، واستخلاص الموارد المستخدمة خلال هذه العملية، وتنقية وتحسين تقنيات الأغشية».
وهناك طريقتان رئيسيتان لتحلية المياه: التحلية الحرارية؛ التي تنطوي على تسخين المياه المالحة حتى يتبخر الماء العذب ويُجمَع. والتحلية بالأغشية؛ وتتم بدفع المياه المالحة من خلال مرشّحات لفصل الملح عن جزيئات الماء. وتتطلب كلتا الطريقتين طاقة كبيرة وتعملان بالنفط غالباً، فضلاً عن كونهما تتسمان بعدم الكفاءة.
ويشير فروينفيلد إلى أن جميع عمليات تحلية المياه الحالية في المملكة تستخدم النفط بشكل مباشر أو غير مباشر، ففي الوقت الحالي، هناك فرص محدودة لتحلية المياه باستخدام الطاقة الشمسية؛ لأن متطلباتها مرتفعة، ويصعُب توسيع نطاق هذه التقنيات.
وكانت شركة «مداد» الناشئة الابتكارية، التابعة لـ«كاوست»، قد اتّخذت خطواتٍ لتحسين كفاءة التحلية الحرارية، بإنشاء عملية مختلطة أو هجينة. وعن ذلك يقول فروينفيلد: «أضافت شركة (مداد) مرحلة في نهاية العملية التقليدية هي المرحلة المضافة التي تُمتصُ فيها جزيئات الماء في هلام السيليكا؛ مما يخفض درجة حرارة التكثيف، وهذا يعني أنه يمكننا استخراج المزيد من المياه العذبة باستخدام كمية الطاقة نفسها».
ومع ذلك، تثير جميع عمليات تحلية المياه المزيد من المشاكل البيئية. فعندما تُضخّ المياه المالحة المتبقية في المحيط، فقد يؤدّي ذلك إلى تَكوَّن طبقات مياه شديدة الملوحة وعالية الكثافة تستقر في قاع البحر؛ مما يعوق تدفق الأكسجين ويقتل الأحياء البحرية.
من جانبه، يقول يشير البروفسور كارلوس دوارتي، عالم الأحياء البحرية في مركز أبحاث البحر الأحمر بـ«كاوست»، إلى أن المياه المالحة قد تحتوي على عناصر غذائية مركزة، ومواد كيميائية سامة تُضاف خلال عملية تحلية المياه. ويسعى الباحثون في مركز تحلية وإعادة استخدام المياه إلى إيجاد حلول لهذه المشكلة؛ إذ تحتاج المياه المالحة إما إلى إعادة تدويرها وإما إلى تنظيفها أو تخفيفها قبل صرفها.

- تحدي العقول
وفي سياق متصل، أطلق مركز تحلية وإعادة استخدام المياه وشركة البحر الأحمر للتطوير، إلى جانب شركاء آخرين في المملكة، مبادرة «تحدي العقول لتصريف المياه المالحة» لإيجاد حلول مبتكرة خاصة بإدارة المياه المالحة.
ويهدف التحدي كذلك إلى ابتكار حلّ لتوفير مياه الشرب لمنتجع فاخر أُنشأته شركة البحر الأحمر للتطوير، على مجموعة من الجزر في الجزء الشمالي من البحر.
ويوضح مارتن ستال، أحد منسوبي الشركة، إلى أنهم يلتمسون الأفكار ووجهات النظر الجديدة من العلماء والمهندسين والمبتكرين الشباب، من مختلف المجالات، لمواجهة التحدي المتمثل في إدارة المياه المالحة بطريقة مستدامة بيئياً.
وأضاف: «لن يوقف الاقتراح المثالي صرف المياه المالحة في البحر فحسب، بل سيوفّر أيضاً حلاً بيئياً - مجدياً تجارياً - لإدارة الأملاح المستخلصة».
واعتبر ستال، أن الالتزام بوضع معايير جديدة من أجل التنمية المستدامة، وحماية البيئة الطبيعية الخلابة التي تجعل هذه الوجهة فريدة من نوعها، والحفاظ عليها وتجميلها، يدخل في صميم مشروع البحر الأحمر.
وتتمثل إحدى المبادرات في وقف التصريف نهائياً، وإعادة استخدام المياه المستعملة بنسبة 100 في المائة، وعدم صرف المياه المالحة في بيئة البحيرة الشاطئية؛ وهو ما سيجعل مبادرة تحدي العقول لصرف المياه المالحة ذات تأثير حقيقي في هذا المجال.
وسوف تُقيَّم جميع الأفكار المقدّمة بواسطة شركة البحر الأحمر للتطوير ومركز تحلية وإعادة استخدام المياه، وتتحول أكثر الأفكار الواعدة إلى خطط. كما سيُختار ثلاثة فائزين بالجائزة الأولى بحد أقصى، ويمنح كل منهم 10 آلاف دولار أميركي.
وستتاح للفائزين الفرصة لتجربة حلولهم كشركة ناشئة تابعة لشركة البحر الأحمر للتطوير، بالتعاون مع مشروع البحر الأحمر، أحد المشاريع الثلاثة الكبرى التي أعلن عنها الأمير محمد بن سلمان بن عبد العزيز آل سعود في عام 2017.
وخلافاً للتحديات السابقة فهناك تحدٍ كبير آخر يواجهه مركز تحلية وإعادة استخدام المياه يتمثل في نمو أغشية بكتيرية رقيقة، أو أغشية حيوية رقيقة، على أغشية تحلية المياه والأنابيب وأبراج التبريد؛ مما يؤثر على تكلفة إنتاج المياه وجودتها، وإمكانية الاعتماد عليها وأمانها عبر الشبكة.
ولمواجهة ذلك، طوَّر مركز تحلية وإعادة استخدام المياه أنظمة للإنذار المبكّر، تُمَكِّن من الاستجابة السريعة لتلوث الأغشية في أثناء تحلية المياه. ومن الإنجازات الأخرى التي تحققت في الآونة الأخيرة، تطوير منظّف للأغشية يعاد استخدامه، ويوقف صرف سوائل التنظيف في البيئة.

- بدائل لمياه الري
تعتبر إدارة مياه الري العذبة وتوفير الفقد الكبير منها، من القضايا الأساسية التي تشغل مركز تحلية وإعادة استخدام المياه؛ إذ تستهلك الزراعة نحو 80 في المائة من إمدادات المياه العذبة في السعودية، ويكون مصدرها طبقات المياه الجوفية غير المستدامة غالباً.
ويجرِّب المركز التقنيات التي قد تشجّع المزارعين على تقليل مياه الري، أو استبدالها بمصادر مياه أخرى لزراعة محاصيلهم. وعلى سبيل المثال، نجحت مجموعة بحثية يقودها الدكتور هيمانشو ميشرا، الأستاذ المساعد في العلوم والهندسة البيئية في قسم العلوم والهندسة البيولوجية والبيئية، وطالب الدكتوراه أدير جالو جونيور، في تقليل التبخّر من التربة، بوضع طبقة رقيقة من الرمال المغلَّفة بالشمع (SandX) حول قاعدة نباتات الطماطم. خلال التجارب الأولية، حَفَّض غطاء الرمال الواقي هذا التبخّر لدرجة أن محصول الطماطم زاد بنسبة 70 في المائة، دون الحاجة إلى زيادة الري.
كما أن هناك جهوداً بحثية أخرى لمواجهة الفقد الكبير للمياه بسبب سوء إدارتها، يقودها البروفسور ماثيو ماكابي، أستاذ العلوم والهندسة والبيئية في قسم العلوم والهندسة البيولوجية والبيئية وفريقه بمراقبة استخدام المياه في الزراعة، حيث يجمع الباحثون بيانات من الأقمار الصناعية والطائرات من دون طيار، بالإضافة إلى البيانات الميدانية، لزيادة كفاءة استخدام المياه وتحسين إنتاجية المحاصيل.
من جهته، سلَّط البروفسور فروينفيلد الضوء على أهمية استغلال مياه الصرف، قائلاً: «تعتبر معالجة مياه الصرف مجالاً آخر نعمل على تحسينه، ونعالجه من خلال أبحاثنا المتعلقة بتحويل النفايات إلى موارد. كما نأمل أيضاً في تقدير حجم المخاطر الميكروبية المرتبطة بإعادة استخدام مياه الصرف، وضمان سلامة استخدامها». وتتمثَّل إحدى الإمكانات التي يجرِّبها مركز تحلية وإعادة استخدام المياه في استخدام المفاعلات الحيوية لمعالجة مياه الصرف، ليس فقط لاستخلاص المياه، لكن لإنتاج منتجات ذات قيمة مع تقليل صرف النفايات في البيئة.
وأشاد البروفسور فروينفيلد بالتعاون والدعم الذي يقدّمه رجال الحكومة والصناعة في المملكة قائلاً: «شركاؤنا في المملكة، سواء من الصناعة أو الحكومة، ينفّذون بسرعة نتائج عمل مركزنا، ويطلبون مساعدتنا لتوقع التغييرات المقبلة في التشريعات البيئية أيضاً».


مقالات ذات صلة

علماء ينتجون «نموذج جنين بشري» في المختبر

علوم النموذج تم تطويره باستخدام الخلايا الجذعية (أرشيف - رويترز)

علماء ينتجون «نموذج جنين بشري» في المختبر

أنتجت مجموعة من العلماء هيكلاً يشبه إلى حد كبير الجنين البشري، وذلك في المختبر، دون استخدام حيوانات منوية أو بويضات.

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم الهياكل الشبيهة بالأجنة البشرية تم إنشاؤها في المختبر باستخدام الخلايا الجذعية (أرشيف - رويترز)

علماء يطورون «نماذج أجنة بشرية» في المختبر

قال فريق من الباحثين في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة إنهم ابتكروا أول هياكل صناعية في العالم شبيهة بالأجنة البشرية باستخدام الخلايا الجذعية.

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم علماء يتمكنون من جمع حمض نووي بشري من الهواء والرمال والمياه

علماء يتمكنون من جمع حمض نووي بشري من الهواء والرمال والمياه

تمكنت مجموعة من العلماء من جمع وتحليل الحمض النووي البشري من الهواء في غرفة مزدحمة ومن آثار الأقدام على رمال الشواطئ ومياه المحيطات والأنهار.

«الشرق الأوسط» (نيويورك)
علوم صورة لنموذج يمثل إنسان «نياندرتال» معروضاً في «المتحف الوطني لعصور ما قبل التاريخ» بفرنسا (أ.ف.ب)

دراسة: شكل أنف البشر حالياً تأثر بجينات إنسان «نياندرتال»

أظهرت دراسة جديدة أن شكل أنف الإنسان الحديث قد يكون تأثر جزئياً بالجينات الموروثة من إنسان «نياندرتال».

«الشرق الأوسط» (لندن)
علوم دراسة تطرح نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات

دراسة تطرح نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات

توصلت دراسة جديدة إلى نظرية جديدة بشأن كيفية نشأة القارات على كوكب الأرض مشيرة إلى أن نظرية «تبلور العقيق المعدني» الشهيرة تعتبر تفسيراً بعيد الاحتمال للغاية.

«الشرق الأوسط» (لندن)

«طلاء شمسي» لشحن السيارات الكهربائية

«طلاء شمسي» لشحن السيارات الكهربائية
TT

«طلاء شمسي» لشحن السيارات الكهربائية

«طلاء شمسي» لشحن السيارات الكهربائية

في المستقبل، يمكن تغطية سيارتك الكهربائية بألواح شمسية -ليس فقط على السطح، ولكن في جميع أنحاء الجزء الخارجي من السيارة- بفضل طلاء خاص.

وسواء كنت تقود السيارة أو كانت متوقفة، يمكن لهذا الطلاء الشمسي حصاد الطاقة من الشمس، وتغذيتها مباشرة في بطارية السيارة الكهربائية. وربما يبدو الأمر وكأنه شيء من كتاب خيال علمي، إلا أن الباحثين في شركة «مرسيدس بنز» يعملون بالفعل على جعله حقيقة واقعة.

عجينة لطلاء شمسي

يقول يوشين شميد، المدير الأول لشركة «مستقبل القيادة الكهربائية» Future Electric Drive، للبحث والتطوير في «مرسيدس بنز» الذي يستكشف تقنيات السيارات الكهربائية في مرحلة مبكرة: «نحن ننتج مئات السيارات يومياً، وسطح السيارة مساحة كبيرة جداً. فلماذا لا نستخدمها لحصاد طاقة الشمس؟».

إن المادة الكهروضوئية التي تبحثها شركة مرسيدس تشبه العجينة التي يمكن وضعها على الجزء الخارجي للسيارة. يبلغ سمك الطلاء 5 ميكرومترات فقط (يبلغ متوسط ​​سمك شعرة الإنسان نحو 100 ميكرومتر)، ويزن 50 غراماً لكل متر مربع.

وقود شمسي لآلاف الكيلومترات

في سيارة رياضية متعددة الأغراض SUV متوسطة الحجم، ستشغل العجينة، التي تطلق عليها مرسيدس أيضاً طلاءً شمسياً، نحو 118 قدماً مربعة، ما ينتج طاقة كافية للسفر لمسافة تصل إلى 7456 ميلاً (12000 كم) في السنة. ويشير صانع السيارة إلى أن هذا يمكن أن يتحقق في «ظروف مثالية»؛ وتعتمد كمية الطاقة التي ستحصدها هذه العجينة بالفعل على قوة الشمس وكمية الظل الموجودة.

طلاء مرن لصبغ المنحنيات

ولأن الطلاء الشمسي مرن، فيمكنه أن يتناسب مع المنحنيات، ما يوفر فرصاً أكبر للطاقة الشمسية مقارنة بالألواح الشمسية الزجاجية التي لا يمكن ثنيها، وبالتالي لا يمكن تثبيتها إلا على سقف السيارة أو غطاء المحرك. يُعدّ الطلاء الشمسي جزءاً من طلاء متعدد الخطوات يتضمن المادة الموصلة والعزل والمادة النشطة للطاقة الشمسية ثم الطلاء العلوي لتوفير اللون (يشكل كل ذلك معاً عمق بـ5 ميكرونات).

لن تكون هذه الطبقة العلوية طلاءً قياسياً للسيارات لأنها لا تحتوي على صبغة. بدلاً من ذلك، ستبدو هذه الطبقة أشبه بجناح الفراشة، كما يقول شميد، وستكون مادة شديدة الشفافية مليئة بجسيمات نانوية تعكس الأطوال الموجية من ضوء الشمس. كما يمكن تصميمها لتعكس أطوال موجية محددة، ما يعني أن السيارات الكهربائية يمكن أن تأتي بألوان أخرى.

وسيتم توصيل الطلاء الشمسي أيضاً عن طريق الأسلاك بمحول طاقة يقع بجوار البطارية، الذي سيغذي مباشرة تلك البطارية ذات الجهد العالي.

تأمين أكثر من نصف الوقود

ووفقاً للشركة فإن متوسط سير ​​السائق هو 32 ميلاً (51.5 كم) في اليوم؛ هناك، يمكن تغطية نحو 62 في المائة من هذه الحاجة بالطاقة الشمسية من خلال هذه التكنولوجيا. بالنسبة للسائقين في أماكن مثل لوس أنجليس، يمكن أن يغطي الطلاء الشمسي 100 في المائة من احتياجات القيادة الخاصة بهم. يمكن بعد ذلك استخدام أي طاقة إضافية عبر الشحن ثنائي الاتجاه لتشغيل منزل شخص ما.

على عكس الألواح الشمسية النموذجية، لا يحتوي هذا الطلاء الشمسي على أي معادن أرضية نادرة أو سيليكون أو مواد سامة أخرى. وهذا يجعل إعادة التدوير أسهل. وتبحث «مرسيدس» بالفعل عن كيفية جعل إصلاحه سهلاً وبأسعار معقولة.

يقول شميد: «قد تكون هناك مخاوف من أن سيارتي بها خدش، فمن المحتمل أن لوحة الباب معطلة»، وتابع: «لذا اتخذنا احتياطاتنا، ويمكننا بسهولة القول إن لدينا تدابير مضادة لذلك».

ومع تغطية المركبات الكهربائية بالطلاء الشمسي، لن يكون هناك الكثير من القلق بشأن شبكات الشحن، أو الحاجة إلى قيام الناس بتثبيت أجهزة الشحن في منازلهم. ويقول شميد : «إذا كان من الممكن توليد 50 في المائة أو حتى أكثر من قيادتك السنوية من الشمس مجاناً، فهذه ميزة ضخمة ويمكن أن تساعد في اختراق السوق».

ومع ذلك، فإن حقيقة طلاء سيارتك الكهربائية بالطاقة الشمسية لا تزال على بعد سنوات، ولا تستطيع مرسيدس أن تقول متى قد يتم طرح هذا على طرازاتها، لكنها شركة واثقة من تحقيقها.

* مجلة «فاست كومباني»، خدمات «تريبيون ميديا».

اقرأ أيضاً