جهاز تقطير شمسي «بمقياس سنتيمتر واحد» لتحلية مياه البحر

علماء «كاوست» يطوَّرونه

طريقة بسيطة لتحلية مياه البحر

تخيل نفسك وحيداً مع نمر متوحش على متن قارب صغير في عرض المحيط لتبدأ رحلة القتال من أجل البقاء لمدة 277 يوماً قبل أن يتم إنقاذك.
تحلية المياه
هذا السيناريو كان محور قصة فيلم «حياة باي»، الذي أنتج عام 2012. وحصل على 11 جائزة ترشيح للأوسكار وحصد أربعاً منها، وتدور أحداثه حول الصبي الهندي بي باتيل نجل حارس حديقة الحيوان، الذي تقرر أسرته الانتقال إلى كندا، وأثناء السفر عبر المحيط الهادي، تغرق السفينة.
في هذه الرحلة تبنى بطل الفيلم فكرة المقطر الشمسي العائم للصمود والبقاء على قيد الحياة، حيث تكمن الفكرة في استخدام حرارة الشمس لتحلية المياه بطريقة التقطير عبر رفع درجة حرارة المياه المالحة إلى درجة الغليان وتكوين بخار الماء الذي يتم تكثيفه بعد ذلك إلى ماء.
مشاهد هذا الفيلم كانت مصدر إلهام، ودافعاً لأحد علماء جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)، لتطوير هذه العملية باستخدام عدد من المواد النانوية، وعمليات العزل الحراري لزيادة تبخير المياه المالحة وتحويلها إلى بخار نقي.
ولقد تمكَّن جهاز التقطير الشمسي المطور من قبل فريق بحثي بقيادة البروفسور شياشيونغ قان، أستاذ علوم المواد والهندسة في «كاوست» من تنقية المياه المالحة من محطات التناضح العكسي، التي تتجاوز نسبة الملوحة فيها 10 في المائة، كما نجحَ أيضاً في تنقية المياه المستمدة من البحر الأحمر مباشرة؛ مما يعني أنها تُضاعف معدل إنتاج المياه العذبة من المقطِّرات الشمسية المانعة لترسّب الملح المستخدمة حالياً.
وتعد تقنية التناضح العكسي من الطرق الحديثة والهامة في صناعة معالجة المياه غير الصالحة للشرب لاحتوائها على نسبة عالية جداً من الملوثات مثل الملح والمعادن والبكتيريا.
في عام 2016. أسسَ قان شركة ناشئة تُدعى «صاني كلين ووتر» (Sunny Clean Water)، تصنِّع مقطِّراتٍ قابلة للنفخ ومنخفضة التكلفة، وتنتجُ ما يتراوح من عشرة إلى عشرين لتراً من المياه العذبة يومياً. رغم ذلك، يقول إنه حين يتعلَّق الأمر بتنقية مياه البحر، فإن أدواته شخصياً محدودة، ويردف القول: «نُلاحظ دائماً ترسُّب الملح على المواد الممتصة للطاقة الشمسية بمرور الوقت. عندها يعكس الملح المترسب ضوء الشمس ويتعطل سير عمل المقطِّر».
في عام 2021. انضم قان إلى «كاوست» وكوَّن فريقاً مع زميله البروفسور يو هان، أستاذ علوم الكيمياء، والدكتور كايجي يانغ، الذي تشمل اهتماماته البحثية توليد البخار الشمسي وتجميع المياه من الغلاف الجوي، لتحسين كفاءة منع ترسُّب الملح، وهي استراتيجية توظف تقنيات، مثل: الأسطح المقاومة للماء، أو الحمل الحراري السائل بغرض الحدِّ من تراكم المعادن.
سر المكعب البلاستيكي
يتكوَّن المبخر الجديد الذي صنعه الفريق من مكعبٍ بلاستيكي بمقياس سنتيمتر واحد، يحتوي على عددٍ من أغشية الألياف الزجاجية، التي هي عبارة عن مواد رقيقة تستخدم عادة في التقطير. يعمل الغشاء المحاذي أفقياً، والمغطى بأنابيب الكربون النانوية كطبقة ماصة للضوء على السطح المكعب العلوي. ومن أسفله، تعملُ سلسلة من الأغشية المثبتة عمودياً، أو المُسماة «جسور نقل الكتلة»، على فصل ماص الطاقة الشمسية عن تراكم المياه المالحة.
يوضِّح يانغ، الذي وضع التصميم، أن الجسور تحتوي على قنوات دقيقة تمتص المياه، لذا، بطبيعة الحال، تمتص مياه البحر وتوصلها إلى الطبقة الشمسية العلوية لتقطيرها إلى بخار، وحين يصل الملح المتراكم إلى الحافة، تنقل القنوات الدقيقة نفسها المحلول الملحي مرة أخرى إلى مياه البحر؛ نظراً لوجود خاصية تدرجات التركيز الشَعرِيّة.
تُفسح تلك الجسور المتطورة الطريق أمام الحرارة المنتقلة بالتوصيل - التي تجري خلال تدفق الملح العكسي - وتصل إلى المقطِّر الشمسي، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة التبَّخر. ويُشير يانغ إلى أن «المبخرات الأخرى في وسعها طرد الملح من المياه بشكلٍ فعَّال لكن مع عملية التدفق العكسي القصيرة، تُفقد كميات هائلة من الطاقة الحرارية وتتأثر معدلات توليد المياه. أمَّا نظامنا فيتميز بقدرته على الموازنة بين طرد الملح وتوليد المياه».
كشفت الفحوصات التي أُجريت داخل المعمل وفي المحطات الخارجية أن المقطِّرات الشمسية قد تُلبِّي حاجة شخصين من المياه يومياً، وقُدِّرت تكلفة المواد الخام المستخدمة بـ50 دولاراً لكل متر مربع.
يُضيف هان: «في مقدورنا تحسين الهيكل ومضاعفة حجمه من طريق تجميع المكعبات معاً، ونظراً لأن هذا الجهاز يعمل لأوقاتٍ طويلة من دون الحاجة لأي صيانة، فإننا نستعد للمرحلة القادمة وهي طرحه للاستخدام التجاري».