حصاد المياه من الجو – كيف يمكن لاستغلال الجاذبية تعزيز هذه التقنية

المياه ربما هي المورد الأكثر قيمة التي يتعامل معها كوكبنا. على الرغم من أن المياه العذبة تغطي 70٪ من كوكبنا، فإن المياه التي نستخدمها للشرب، والاستحمام، أو ري مزارعنا، نادرة. فقط 3٪ من مياه العالم هي مياه عذبة. علاوة على ذلك، ثلثا هذا الـ3٪ يظل في الأنهار الجليدية المتجمدة أو غير متاح للاستخدام. 

نتيجة ندرة المياه هي شيء ينعكس في جميع أنحاء العالم. على الصعيد العالمي، يفتقر ما يقرب من 1.1 مليار شخص إلى المياه. يعاني إجمالي 2.7 مليار شخص في العالم من ندرة المياه لمدة شهر واحد على الأقل في السنة.

نقص المياه يؤدي أيضًا إلى العديد من المشكلات الأخرى، مثل الصرف الصحي غير الكافي، وهو مشكلة لـ 2.4 مليار شخص يصبحون عرضة للأمراض مثل الكوليرا والتيفوئيد، والعديد من أمراض الإسهال المميتة. 

السكان المتزايدون والطلب المتصاعد باستمرار على المياه كانا دائمًا في صراع. كلما ازداد عدد سكان كوكبنا، كلما ازدادت ضغوط أنظمة المياه. 

ارتفاع مستويات التلوث قد أحدثت ضررًا على أنهار وبحيرات ومياه جوفية الكوكب. ما يظهر مزعج أكثر هو أن أكثر من نصف الأراضي الرطبة في العالم قد اختفت. 

إذا فشل المجتمع العلمي في التطور مع الوقت وتقديم حلول لمكافحة تهديد اختفاء المياه، فإن أنظمة الزراعة لدينا لن تحصل على مياه كافية قريبًا، مما يؤدي إلى انعدام الأمن الغذائي والمزيد. 

مع ذلك، لحسن الحظ، المجتمع العلمي مستعد للتحدي على مستوى العالم. اليوم، سنناقش أحد هذه الحلول المبتكرة في الفقرة القادمة ثم نتعمق أكثر. 

الجهاز يستخرج المياه من الهواء باستخدام مجرد الجاذبية

فريق من باحثون دوليون، بقيادة أستاذ جامعة الملك عبدالعزيز تشياوكيانغ غان، صمم جهازًا يمكنه ربما العمل دون كهرباء واستخراج المياه من الهواء بمساعدة مجرد الجاذبية. الجهاز، الذي لا يحتاج بالفعل إلى إمداد طاقة مكلفة، يمكن تصنيعه بمواد رخيصة ومتوفرة بسهولة. 

ورقة التجربة، بعنوان ‘سطح مُشحَّم في بنية مزدوجة الجوانب رأسية للتبريد الإشعاعي وحصاد المياه من الجو’، تسعى لجعل حصاد المياه من الجو أكثر كفاءة.

إن عملية حصاد المياه تحسن بشكل كبير في التبريد الإشعاعي. التبريد الإشعاعي يعمل عن طريق خفض درجات حرارة المكثف بشكل كبير تحت مستويات البيئة و مما يجعل حصاد المياه من الجو ممكنًا دون طاقة إضافية. 

إحدى المشكلات التي تواجه أنظمة التبريد الإشعاعي هي تحدي المكثفات الموجهة للسماء التقليدية التي تعاني من انخفاض كثافة قدرة التبريد، وتبقى قطرات الماء ملتصقة بالسطح، مما يتطلب جمعًا نشطًا للcondensate. 

اقترحت الأبحاث حلاً لهذه المشكلة: طلاء سطح مُشحَّم (LS) —يتكون من إيلاستومر بولي ديميثيل سيليكون عالي القابلية للتوسع مُشحَّم بزيت السيليكون يُطبق على جانب المكثف في بنية مزدوجة الجوانب رأسية.

فوائد التصميم متعددة. أولاً، يضاعف فعليًا قدرة التبريد المحلية. 

ثانيًا، يقضي على تثبيت خط الاتصال، مما يتيح جمع المياه بشكل سلبي مدفوع بالجاذبية. النتيجة هي زيادة سعة حصاد المياه من الجو من عينة بحجم 0 × 30 سم² في بيئات خارجية، دون تدفق صناعي للهواء المرطب. 

المعدل جمع المياه السلبي لل طلاء السطح المُشحَّم (LS) وصل إلى 21 غ/م²/ساعة، وهو ضعف ما على سطح فائق الكاره للماء، 10 غ/م²/ساعة. الأداء كان أفضل حتى في بيئة داخلية، حيث تمكن النظام من تحقيق معدل تكثيف يصل إلى 87٪ من الحد النظري مع جمع ما يصل إلى 90٪ من إجمالي المكثف بشكل سلبي.

فوائد حصاد المياه من الجو عندما يتم بشكل صحيح

الجو يحتوي على ست مرات مياه أكثر من جميع مياه الأنهار العذبة على الأرض مجتمعة. وفقًا للبروفيسور غان:

«يمكن جمع هذه المياه بواسطة تقنيات حصاد المياه من الجو»

وعندما يتم تنفيذ العملية بكفاءة باستخدام الحل المذكور أعلاه، تصبح أكثر ربحية للمستفيدين منها. أثناء توضيح فوائد النظام، قال البروفيسور دان دانييل، أحد الباحثين بعد الدكتوراه في مجموعة البروفيسور غان، ما يلي، 

«النظام لا يستهلك أي كهرباء، مما يؤدي إلى توفير الطاقة. علاوة على ذلك، لا يعتمد على أي أجزاء ميكانيكية مثل الضواغط أو المراوح، مما يقلل الصيانة مقارنة بالأنظمة التقليدية، ويؤدي إلى مزيد من التوفير»

إلى ملاحظات دان دانييل، أضاف باحث آخر بعد الدكتوراه في الفريق، شاكيل أحمد:

«لقد أزال طلاءنا التثبيت بفعالية، مما يتيح جمع مياه سلبي حقيقي مدفوع بالماء»

بشكل عام، يعزز النظام جودة حصاد المياه من الجو بشكل كبير، مما يجعل AWH حلاً حقيقيًا في هذا العالم الذي يزداد فيه ندرة الموارد المائية.

انقر هنا لتعرف كيف يمكن للطاقة الشمسية أن تفعل أكثر من مجرد توفير الطاقة النظيفة.

التطورات في أنظمة حصاد المياه من الجو

في أكتوبر 2023، نُشر مقال في المجلة العلمية المسمى إنرجي أجرى مراجعة شاملة للتقنيات، الأداء، حلول الطاقة المتجددة، والجدوى المتعلقة بطريقة حصاد المياه من الجو. أبرزت المراجعة حصاد المياه من الجو كشيء يمكن أن يكون مصدرًا هائلًا للمياه العذبة بكمية 12,900 كيلومتر مكعب.

قالت:

«أنظمة حصاد المياه من الجو اكتسبت شعبية في السنوات الأخيرة لأنها توفر مصدرًا مستدامًا للمياه في المناطق الجافة» 

في الفقرات القادمة، سنستعرض بعض هذه التطورات، بما في ذلك التجفيف، التكثيف، دورات تبريد ضغط البخار (VCRCs)، مبردات حرارية كهربائية (TECs)، وحدات تكييف الهواء، خلايا الوقود، والأنظمة المتكاملة.

التجفيف والتكثيف

تقنيات حصاد المياه عبر التجفيف تستمد الطاقة من الشمس أو الرياح أو مصادر كهربائية. يمكن أن تكون هذه التقنيات قائمة على الضاغط/المبرد أو قائمة على المجفف.

الأنواع الأولى تعمل عبر تكثيف نقطة الندى وتوفر سطحًا باردًا يمكن أن يتكثف عليه بخار الماء، بينما الأنواع الثانية تشبع بخار الماء باستخدام مادة ماصة تُسخّن لاحقًا، ويتكثف بخار الماء المشبع على سطح عندما يتفاعل مع هواء عملية أبرد.

دورات تبريد ضغط البخار (VCRCs)

تشير هذه العملية إلى آلية حيث يتم ضغط البخار، ثم تكثيفه بالماء أو الهواء، وتوسيع الضغط إلى مستوى منخفض وبالتالي درجة حرارة منخفضة عبر صمام أو محرك مع استخراج الطاقة.

المبردات الحرارية الكهربائية

في عام 2023، نشرت الجمعية الدولية للمعلومات وتكنولوجيا الهندسة (IIETA) دراسة حول حصاد المياه من الجو باستخدام تقنية التبريد الحراري الكهربائي. 

هدفت الدراسة إلى استكشاف إمكانات الهواء الجوي كمصدر بديل للمياه النظيفة لتخفيف نقص المياه في إندونيسيا، وهي دولة تتمتع برطوبة جوية متوسطة تتراوح بين 75٪ إلى 85٪.

نشر الباحثون مبردًا حراريًا كهربائيًا (TEC 1-12706)، مدعومًا بمشتت حراري ومروحة على جانبه الساخن لتعزيز تبديد الحرارة. استخدم ملف تبريد مصنوع من النحاس كجامع حرارة ومكثف للهواء الجوي المار من خلاله.

مصدر التبريد للملف (القطر=7.9 مم؛ الطول=1000 مم) استُمد من كتلة ماء مرفقة بالجانب البارد للمبرد. شملت إعدادات التجربة جميع الظروف البيئية الممكنة، بما في ذلك المختبر، المنطقة السكنية، والمنطقة الساحلية، مع تغير معدل تدفق هواء مروحة المشتت.

تم جمع البيانات على مدى رطوبة يتراوح بين 72.27٪-83.01٪ وكشفت النتائج عن وجود علاقة مباشرة بين معدل تدفق كتلة الهواء لمروحة المشتت ومقدار الماء القابل لاستخراجه من الهواء.

قدمت التجربة أيضًا رؤى مثيرة للاهتمام حول تأثير نوع البيئة على حجم الهواء المستخرج، حيث يمكن استخراج ماء أكثر على السواحل مقارنة بالمختبرات والمناطق السكنية. 

وبشكل أكثر تحديدًا، كان معدل تدفق كتلة الهواء 0.092 كغ/ث في المناطق الساحلية، وكان الماء القابل لاستخراجه 7.75 مل/ساعة. في بيئة المختبر، انخفض الأداء إلى 5.5 مل/ساعة، وفي المناطق السكنية كان 4.75 مل/ساعة. استنتج الباحثون أنه يمكن تعزيز استخراج الماء بزيادة مساحة التلامس بين مبرد الهواء وسطح الملف.

وحدات تكييف الهواء 

في يونيو 2024، ورقة بحثية نُشرت في مجلة دراسات الحالة في الهندسة الكيميائية والبيئية قيمت احتمالية إنتاج الماء من أنظمة تكييف الهواء كمصدر غير تقليدي للإمداد.

بشكل أكثر تحديدًا، فحصت الدراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للماء المكثف وتحققت من وجود معادن ثقيلة في عينات الماء المكثف التي تنتجها أنظمة تكييف الهواء.

كان هدف التقييم ضمان أن جودة الماء تلبي المعايير المحددة من قبل المعايير الأردنية للمياه الصالحة للشرب وإرشادات الفاو للري.

أُجريت الدراسة في الأردن الذي يُصنّف كواحد من أكثر الدول اقتصاديةً ضعفًا في العالم من حيث موارد المياه العذرة المتجددة، مع توفر مقطوع للفرد حوالي 61 مترًا مكعبًا في عام 2021. 

أظهرت نتائج الاختبار أن العينات امتثلت في الغالب للحدود المسموح بها المحددة من قبل كل من إرشادات مياه الشرب (أقل من 20 درجة مئوية) والمعايير للمياه المعالجة المستخدمة في الري (أقل من 25 درجة مئوية). تراوحت درجة حرارة العينات بين 16 درجة مئوية و20 درجة مئوية، بمتوسط 18 درجة مئوية، بينما تراوحت قيم الرقم الهيدروجيني للماء المكثف بين 7.16 إلى 7.25، بمتوسط 7.20.

خلايا الوقود

بحث آخر بحث ، نُشر في عدد ديسمبر 2020 من مجلة Applied Energy اقترح إعادة استخدام الماء الكهروكيميائي من خلية الوقود لدورة ضغط البخار في مولد المياه الجوي (VCC-AWG). 

استفاد آلية الحل من غاز العادم لخلية الوقود الذي دخل إلى VCC-AWG بنسبة رطوبة نسبية أعلى من الهواء الجوي الطبيعي عندما مر عبر مبادل حراري محيطي لإزالة حرارة النفايات الكهروكيميائية. 

اقترح العلماء أن الرطوبة النسبية الأعلى يمكن أن تزيد من إنتاج المياه العذرة لكل وحدة طاقة. أظهرت النتائج أنه عند رطوبة نسبية 0.75، أدى إضافة خلية وقود بقدرة 2 كيلوواط إلى إنتاج ما يصل إلى 3 كغ/ساعة من المياه العذبة، وهو أعلى بنسبة 50٪ مقارنةً بعدم استخدام خلية الوقود. 

مع استهلاك الطاقة المحدد عند 200 واط·ساعة/كغ، يمكن دمج VCC-AWG مع تنازلات صغيرة في إنتاج طاقة خلية الوقود.

أنظمة متكاملة

أخيرًا، اقترح عدة باحثين أيضًا أنظمة متكاملة مبتكرة تجمع بين عجلات المجفف ومبردات التبخير لتوفير كل من الهواء المبرد والماء المكثف.

الأهم من ذلك، أظهرت هذه الأنظمة المتكاملة قدرات استثنائية في حصاد المياه في البيئات القاحلة. على سبيل المثال، وفقًا للبيانات المستخلصة من تجربة واحدة، يمكن لنظام مزيل الرطوبة بسعة متر مكعب أن يزود عائلة قطرية بأكثر من 15 لترًا من المياه العذرة يوميًا عند مستويات رطوبة نسبية تتراوح بين 50-70٪. 

بينما تستمر المجتمعات العلمية حول العالم في استكشاف إمكانيات حصاد المياه من الجو وتوسيع حدوده، قدمت الشركات حلولًا مناسبة للتبني الجماعي.

في الفقرات القادمة، سنستعرض بإيجاز بعض هذه الشركات. 

#1. Atoco

المصدر: Atoco

تقنية حصاد المياه من Atoco قادرة على التقاط وتوليد ماء نقي من الجو، حتى في الظروف الجافة مع رطوبة نسبية أقل من 20٪.

مثل البحث الذي بدأنا مناقشته، يمكن لحل Atoco العمل في وضع سلبي دون استخدام الكهرباء، مما يتيح عمليات خارج الشبكة بصفر انبعاثات كربونية.

جودة الماء الناتج عن استخدام Atoco لمواد شبكية جديدة هي نقية للغاية، ولا تحتاج إلى ترشيح إضافي. تتوافق تمامًا مع المعايير العالمية، بما في ذلك معايير منظمة الصحة العالمية (WHO) وإدارة حماية البيئة (EPA) في حالة مياه الشرب ومعايير الفاو لجودة المياه الزراعية.

تأسست بواسطة الأستاذ عمر ياغي – أب الكيمياء الشبكية – تؤمن Atoco بأنها يمكنها معالجة كل من سبب وتأثير تغير المناخ ومواجهة الاحتباس الحراري وندرة المياه من خلال تطوير حلول مستدامة، مرنة، وتحويلية في مجال حصاد المياه من الجو.

#2. Watergen

Watergen، شركة إسرائيلية رائدة ورائدة عالميًا في سوق أجهزة مياه الشرب الجوي (AWG)، تقدم آلات تنتج مياه شرب بأكثر الطرق فعالية واقتصادية ممكنة. حلولها موجودة في أكثر من 65 دولة حول العالم. 

يمكن لحلها التجاري Gen-L إنتاج ما يصل إلى 6,000 لتر يوميًا، بينما يقدم الحل الصغير Genny 30 لترًا يوميًا. لديها حلول لكل نوع من الاحتياجات بين هذين الطرفين. 

في عام 2022، أعلنت Watergen عن شراكة استراتيجية مع مجموعة SMV Jaipuria مع استثمار مخطط يزيد عن 50 مليون دولار أمريكي خلال السنوات 2-3 القادمة لجلب منتجات تقنية الماء من الهواء إلى الهند.

كلمات ختامية

في المجمل، العالم مستعد لمواجهة تحديات ندرة المياه من خلال الاستفادة بمهارة من مورد طبيعي آخر نمتلكه بوفرة: الهواء الجوي. 

مع ذلك، لا يزال هناك عمل يجب إنجازه لتوسيع الآفاق من خلال خفض تكلفة الإنتاج وجعل العمليات مستدامة بيئيًا دون أو بأقل قدر ممكن من استهلاك الطاقة.

العديد من الدول التي تعاني من ندرة المياه هي اقتصادات منخفضة الدخل. تحتاج إلى حلول ميسورة التكلفة للجماهير وقابلة للنشر بأكثر طريقة سلسة ممكنة. 

انقر هنا لتعرف كيف يمكن للتحلية بالطاقة الشمسية حل مشكلة ندرة المياه.