حصاد الماء من الهواء باستخدام الطاقة الشمسية: تقنية واعدة لمواجهة أزمة المياه

 

حصاد الماء من الهواء باستخدام الطاقة الشمسية: تقنية واعدة لمواجهة أزمة المياه

مع تزايد أزمة المياه العذبة في العالم، خصوصًا في المناطق الجافة والصحراوية، برزت تقنيات مبتكرة تهدف إلى استخلاص المياه مباشرة من الهواء. من أبرز هذه التقنيات ما طوّره فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بقيادة الدكتورة إيفلين وانغ[i]، وهو جهاز يعمل بالطاقة الشمسية بالكامل، يعتمد على مواد ماصّة للرطوبة لاستخلاص مياه صالحة للشرب حتى في البيئات ذات الرطوبة المنخفضة جدًا.

آلية العمل

يعتمد الجهاز على مبدأ امتصاص الرطوبة ثم تكثيفها باستخدام أشعة الشمس:

1. الامتصاص الليلي: وذلك باستخدام مواد ماصّة للرطوبة عالية الكفاءة مثل الإطارات المعدنية العضوية(MOFs)  أو في الزيوليت النماذج الأحدث. وهي مواد تحتجز بخار الماء الموجود في الهواء، حتى عندما تكون نسبة الرطوبة منخفضة جدًا (10-20%).
2. التحرير والتكثيف النهاري: يبدأ ذلك مع طلوع الشمس، إذ تعمل الحرارة الطبيعية على تسخين المواد الماصّة، فتطلق بخار الماء المحتجز. يُوجّه البخار نحو مكثّف بارد نسبيًا، حيث يتكاثف ويتحول إلى مياه نقية صالحة للشرب. أي أن النظام يعتمد كليًا على الطاقة الشمسية دون حاجة للكهرباء أو الأجزاء الميكانيكية.

 

كمية المياه الممكن الحصول عليها

تختلف كمية المياه المستخلصة يوميًا حسب نسبة الرطوبة ودرجة حرارة الجو، ويمكن تلخيصها كالتالي:

الاستخدام العملي	كمية الماء/م² سطح نشط/يوم	نسبة الرطوبة النسبية
شرب شخص واحد	0.2-0.8 ليتر	صحارى جافة جدًا
شرب أسرة صغيرة	2-3 ليتر	مناطق سكنية معتدلة
احتياجات شرب وطهي لعائلة كاملة	4-5 ليتر أو أكثر	مناطق ساحلية رطبة

تقديرات تعتمد على النماذج التجريبية الحديثة باستخدام الزيوليت

 

الكلفة الحالية والمتوقعة

1. الكلفة الحالية (مرحلة النماذج التجريبية): في النماذج الأولى المعتمدة على MOFs  فهي باهظة جدًا (عدة آلاف الدولارات) بسبب ارتفاع سعر المواد (100 – 150 دولار/كغ). أما في النماذج الأحدث باستخدام الزيوليت أقل تكلفة بكثير، مع توقع سعر تجريبي يقارب 500-1000 دولار لجهاز منزلي بحجم نافذة ينتج بين 5 و 6 لترات يوميًا.
2. الكلفة في حال الإنتاج الواسع: في حالة التصنيع على نطاق صناعي واستخدام مواد متوفرة ورخيصة، يمكن أن تنخفض الكلفة إلى أقل من 300-500 دولار للجهاز المنزلي. أما الكلفة التشغيلية فتكاد تكون صفرية لأنه يعتمد فقط على أشعة الشمس ولا يحتاج إلى كهرباء أو وقود.
3. كلفة المياه المنتَجة: وفي حال الإنتاج الواسع، فقد تنخفض كلفة إنتاج 10 لترات من الماء إلى أقل من 00.5 إلى 1 دولار، مما يجعله حلاً منافسًا لشراء المياه المعبأة في المناطق النائية.

 

الصيانة وطول العمر

• لا أجزاء متحركة: لا يحتاج الجهاز إلى صيانة ميكانيكية، وهذا ما يجعله متميزًا مقارنة بأجهزة تكثيف الهواء التقليدية.
• تنظيف دوري بسيط: في المناطق الصحراوية، يُوصى بمسح الأسطح أو تنظيفها من الغبار كل أسبوعين إلى شهر.
• عمر المواد الماصّة: يمكن أن تدوم المواد مثل الزيوليت أو MOFs لآلاف الدورات الحرارية (5 – 10 سنوات) قبل الحاجة إلى استبدالها أو تجديدها.
• إعادة التنشيط: في حال تراجع الأداء، يمكن إعادة تنشيط المواد بتسخينها لفترة محددة، وهي عملية بسيطة يمكن تنفيذها منزليًا.

الخلاصة

هذه التقنية تمثل خطوة ثورية في مواجهة أزمة المياه العالمية، خصوصًا للمناطق القاحلة أو المجتمعات المعزولة التي لا تملك بنية تحتية لتحلية المياه أو نقلها. وعلى الرغم من أنها لا تزال في مرحلة التطوير والتجارب، فإن نتائجها المبكرة مبشّرة، ومع انخفاض التكاليف مستقبلاً يمكن أن تصبح مصدرًا أساسيًا للمياه في القرى النائية أو في حالات الكوارث الإنسانية.

 

الزيوليت (Zeolite) هو اسم يطلق على مجموعة من المعادن البلورية الطبيعية أو الصناعية التي تتميز بقدرتها العالية على امتصاص الجزيئات واحتجازها داخل بنيتها المجهرية الفريدة.

يتكون أساسًا من سيليكات الألومنيوم (Aluminosilicate)  المرتبطة بأيونات الصوديوم أو البوتاسيوم أو الكالسيوم. ويمتلك تركيبًا بلوريًا يشبه الإسفنج، مكون من شبكة ثلاثية الأبعاد من المسام والقنوات الدقيقة جدًا. هذه المسام تسمح له بامتصاص وحجز جزيئات صغيرة مثل الماء والغازات، ثم إطلاقها عند التسخين.

ومنه أنواع: الزيوليت طبيعي: موجود في الطبيعة ويستخرج من الصخور البركانية الرسوبية. والزيوليت الصناعي: يُنتج في المختبرات ويُصمم بخصائص معينة (مسامية وانتقائية عالية).

من خصائصه المميزة: امتصاص وانتقائية عالية: يستطيع امتصاص الماء حتى في الرطوبة المنخفضة؛ ويمكن إعادة استخدامه تسخينه لتحرير الماء أو الغازات المحتجزة وإعادة استخدامه لآلاف المرات؛ ويتمتع باستقرار حراري وكيميائي، فهو يتحمل درجات حرارة عالية ولا يتفكك بسهولة؛ كما أنه رخيص ومتوافر، خصوصًا مقارنة بالإطارات المعدنية العضوية (MOFs) المكلفة.

 

من استخداماته: حصاد المياه من الهواء: كما في الجهاز المطور في MIT. وكذلك في تنقية المياه والهواء، إذ يمتص الملوثات والمعادن الثقيلة. وفي تربية الحيوانات والزراعة بفضل امتصاصه الروائح والأمونيا في الحظائر. ويستخدم في الطب أحيانًا في إزالة السموم من الجسم. وفي تكرير النفط وكمحفز في العمليات الكيميائية.

وسبب استخدامه في حصاد الماء فلأنه يحتجز بخار الماء بكفاءة عالية، ثم يطلقه بسهولة عند التعرض للشمس أو التسخين الخفيف. ولأنه أيضاً رخيص جدًا مقارنة بالمواد المتقدمة الأخرى، ما يجعله مثاليًا للتطبيقات واسعة النطاق في المناطق الفقيرة.

 

ما هي الإطارات المعدنية العضوية (MOFs)؟ هي اختصار لـ Metal–Organic Frameworks وهي مواد مسامية فائقة التطور تتكون من شبكة ثلاثية الأبعاد من أيونات معدنية مرتبطة بجزيئات عضوية تعمل كـ"جسور"، مشكلةً بنية شبيهة بالإسفنج على المستوى النانوي.

غالبًا ما تتألف عقد هذه الشبكة من معادن مثل الزنك (Zn)، أو الألمنيوم (Al)، أو الزركونيوم (Zr)، أو النحاس (Cu). أما الروابط العضوية فهي مركبات كربونية عضوية طويلة تربط العقد المعدنية ببعضها.

تتميز بالمسامية العالية: إذ تمتلك هذه الأطر مساحات سطحية داخلية ضخمة جدًا (قد تصل إلى 7000 م² لكل غرام)، وهي مساحة تعادل تقريبًا ملعب كرة قدم كامل داخل غرام واحد من المادة!

 

---

[i] https://news.mit.edu/2018/field-tests-device-harvests-water-desert-air-0322