مُبتَكر جديد من الألمنيوم يساعد في تنقية المياه

سهل التنفيذ قليل التكلفة

يعد توفير المياه النظيفة أمراً ضرورياً، غير أنه يظل أحد أكبر التحديات في العالم، لكن الآن يمكن أن تغير ذلك مادة الألمنيوم الجديدة فائقة الامتصاص للضوء التي تم تطويرها بتمويل من الجيش الأميركي.
وبتمويل من مكتب أبحاث الجيش، التابع لقيادة تطوير القدرات القتالية للجيش الأميركي، طور الباحثون في جامعة روتشستر الأميركية لوحة ألمنيوم جديدة تركز الطاقة الشمسية بكفاءة أكبر لتبخر وتنقي المياه الملوثة، وتم الإعلان عنها في دورية «نيتشر سيستانبليتي»، يوم 13 يوليو (تموز) الماضي.
يقول الدكتور إيفان رانرستروم، الباحث الرئيسي بالدراسة، في تقرير نشره مختبر أبحاث الجيش: «يحتاج الجيش ورجال الحرب للمياه، لذلك هناك اهتمام خاص بأبحاث المواد الأساسية التي يمكن أن تؤدي إلى تقنيات متقدمة لتوليد مياه الشرب، حيث تتيح الخصائص الممتصة للضوء لأسطح الألومنيوم تنقية المياه بطاقة منخفضة للحفاظ على المقاتل في الميدان بشكل أفضل».
وخلال الدراسة، طور الباحثون تقنية معالجة بالليزر تحول لون الألومنيوم المنتظم إلى اللون الأسود، مما يجعله شديدة الامتصاص، بالإضافة لإكسابه الخاصية الشعرية، وهي خاصية فيزيائية تسمح بانتقال السائل من الأسفل إلى الأعلى، ثم قاموا باستخدام هذا الألمنيوم لتنقية المياه بالطاقة الشمسية.
وتستخدم هذه التكنولوجيا مجموعة من نبضات الليزر الفيمتو ثانية (فائقة القصر) لحفر سطح لوح عادي من الألمنيوم، وعندما يتم غمس لوح الألمنيوم في الماء بزاوية مواجهة للشمس، فإنه يرسم طبقة رقيقة من الماء لأعلى فوق سطح المعدن.
وفي الوقت نفسه، يحتفظ السطح الأسود بـ100 في المائة تقريباً من الطاقة التي يمتصها من الشمس لتسخين الماء بسرعة. وأخيراً، تغير الهياكل السطحية التي تم إكسابها الخاصية الشعرية الروابط بين الجزيئات للمياه، ما يزيد من كفاءة عملية التبخر بشكل أكبر.
يقول الدكتور تشونلي جو، أستاذ البصريات بجامعة روتشستر، في التقرير الذي نشره موقع الجامعة: «هذه الأشياء الثلاثة معاً تمكن التقنية من العمل بشكل أفضل من جهاز مثالي بكفاءة 100 في المائة، وهذه طريقة بسيطة دائمة غير مكلفة لمعالجة أزمة المياه العالمية، خاصة في الدول النامية».
وتظهر التجارب التي أجريت بالمختبر أن الطريقة تقلل من وجود جميع الملوثات الشائعة، مثل المنظفات والأصباغ والبول والمعادن الثقيلة والجلسرين.
ويضيف جو أن التكنولوجيا يمكن أن تكون مفيدة أيضاً في الدول المتقدمة لتخفيف نقص المياه في المناطق المنكوبة بالجفاف ومشاريع تحلية المياه.
ولطالما تم الاعتراف باستخدام أشعة الشمس للغلي بصفتها وسيلة للتخلص من مسببات الأمراض الميكروبية، وتقليل الوفيات الناجمة عن التهابات الإسهال، لكن الماء المغلي لا يزيل المعادن الثقيلة والملوثات الأخرى.
والطريقة الأكثر شيوعاً لتبخر المياه القائمة على الطاقة الشمسية هي «السعة الحرارية الحجمية»، حيث يتم تسخين كمية كبيرة من الماء، ولكن فقط الطبقة العليا يمكن أن تتبخر. وقال جو إن هذا من الواضح أنه غير فعال لأنه يتم استخدام جزء صغير فقط من طاقة التسخين.
ويوجد نهج أكثر كفاءة، يسمى «تدفية بينية»، ويضع مواد عائمة وممتصة ومتعددة الطبقات فوق الماء، بحيث تحتاج إلى تسخين المياه القريبة من السطح فقط.
لكن جميع المواد المتاحة يجب أن تطفو أفقياً فوق الماء، ولا يمكنها مواجهة الشمس مباشرة، علاوة على ذلك، تصبح المواد المسؤولة عن الخاصية الشعرية مسدودة بسرعة بالملوثات التي تركت بعد التبخر، مما يتطلب استبدالاً متكرراً للمواد.
وتتجنب لوحة الألمنيوم التي طورها الباحثون هذه الصعوبات، من خلال سحب طبقة رقيقة من الماء من الخزان مباشرة على سطح جهاز امتصاص الطاقة الشمسية للتسخين والتبخر.
وقال جو: «علاوة على ذلك، نظراً لأننا نستخدم سطحاً ذا فتحات مفتوحة، فمن السهل جداً تنظيفه بمجرد رشه، وأكبر ميزة هي أنه يمكن تعديل زاوية الألواح بشكل مستمر لمواجهة الشمس مباشرة عندما تشرق، ثم تتحرك عبر السماء قبل الضبط، مما يزيد من امتصاص الطاقة».
ويثني الدكتور مصطفى أبو الفضل، الباحث بمركز بحوث الصحراء بمصر، على هذه الطريقة كونها تقوم على تطوير طريقة تنقية المياه وتحليتها باستخدام الطاقة الشمسية. ويقول لـ«الشرق الأوسط»: «استخدام الطاقة الشمسية في التحلية والتنقية ليس جديداً، ولكن الجديد هو القيام بذلك بكفاءة عالية وطاقة أقل».
ويضيف: «مشروعات تحلية وتنقية المياه لم تعد ترفاً في كثير من الدول التي باتت تعاني من الفقر المائي، لكن يعوق التوسع في هذه المشروعات استهلاكها للطاقة، كما أن أغلب خامتها مستوردة».
وتبدو الفكرة التي طرحتها الدراسة الأميركية سهلة بسيطة قابلة للتكرار في أكثر من دولة، مما يجعلها مناسبة للتغلب على تحديات تحلية وتنقية المياه، كما يؤكد أبو الفضل الذي يقول: «ربما سيكون من المفيد التقاط تفاصيل هذه الفكرة، ومحاولها استنساخها على نطاق معملي، وأخذها خطوة إلى الأمام بإنتاج نموذج نصف صناعي، ثم نموذج صناعي».