كيف يحول نظام Plug Flow مياه الأمطار إلى كهرباء متجددة

كشف فريق من الباحثين من الجامعة الوطنية في سنغافورة عن نظام مبتكر لتوليد المياه، قادر على تحويل قطرات المطر إلى كهرباء. يستخدم النظام ظاهرة تُسمى تدفق السدادة لتحسين الخيارات الحالية بشكل كبير. إليكم كيف يمكن لأنظمة تدفق السدادة أن تفتح الباب لمستقبل أكثر استدامةً وخضرة.

تسخير طاقة المياه: من المطاحن القديمة إلى تدفق المياه

لطالما لجأت البشرية إلى الماء كوسيلة لتوليد الطاقة. ففي العصور القديمة، استخدمت حضارات مثل الرومان والمصريين الماء لتشغيل مهام مثل طحن الحبوب. ومع مرور الزمن، أصبحت هذه الأنظمة أكثر تعقيدًا.

تُعدّ الطاقة الكهرومائية اليوم مصدرًا رئيسيًا للطاقة، يُستخدم عالميًا. تعتمد على الجاذبية وقوة المياه الجارية لتحريك التوربينات، التي تُولّد الطاقة. تستطيع هذه الأنظمة توليد كميات كبيرة من الطاقة لفترات طويلة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات واسعة النطاق.

لماذا لا تكون الطاقة الكهرومائية التقليدية عملية دائمًا؟

لقد كانت الطاقة الكهرومائية نعمةً لملايين البشر حول العالم. فالسدود الضخمة قادرة على إمداد المراكز السكانية الكبرى بالطاقة دون أن تُنتج نفايات بيئية تُضاهي بدائل الوقود الأحفوري. ومع ذلك، فإنها لا تزال تُنتج نفايات، وتواجه العديد من القيود التي أعاقت توسعها.

أولاً، يجب أن تُقام بالقرب من المسطحات المائية الكبيرة. تتطلب هذه الأنظمة سدودًا، أو مياهًا جارية، أو حتى أمواجًا محيطية لتوليد الطاقة. وبالتالي، فهي عملية فقط للتطبيقات واسعة النطاق، وبناء هذه المنشآت الضخمة مكلف ويتطلب موارد ضخمة.

النضال من أجل تقليص الطاقة الكهرومائية للأنظمة الصغيرة

ابتكر العلماء بدائل مبتكرة لهذه المحطات الضخمة لتوليد الكهرباء على نطاق أصغر. وتُعد عملية فصل الشحنات أحد هذه العلوم التي حظيت باهتمام كبير.

يحدث فصل الشحنات عند مرور الماء فوق سطح مشحون كهربائيًا. يمكنك تشبيه هذه العملية بكيفية توليد الكهرباء الساكنة للطاقة عند فرك قدميك على السجادة. ينتج عن احتكاك السطحين شحنات كهربائية عند تفاعلهما.

فهم فصل الشحنة لتوليد الطاقة

بُذلت محاولات عديدة لتطوير مولدات فصل شحنات قادرة على إنتاج طاقة كافية للاستخدام. إلا أن أياً منها لم يحقق هذا الهدف. في الماضي، درس المهندسون مناهج مختلفة لمحاولة تطوير قدرات توليد الطاقة من هذه المولدات.

تجدر الإشارة إلى أن العلماء درسوا أساليب مختلفة، بما في ذلك تغيير التدفق في القناة، والرش، والقطرات بزاوية، وتدفقات القطرات المتغيرة. من بين هذه الأساليب، كانت طريقة التدفق المستمر هي الأكثر فعالية حتى الآن. تعتمد هذه الطريقة على قناة صغيرة يمر الماء من خلالها باستمرار.

لماذا فشلت أنظمة فصل الشحنات السابقة؟

تكمن مشكلة هذا النهج في أن الكهرباء المُولَّدة عبر فصل الشحنات محدودة بمقدار المساحة السطحية التي يغطيها الماء. وقد دفعت هذه القيود المهندسين إلى استخدام تقنية النانو لتوفير قنوات أكثر، مما يعني مساحة سطحية أكبر.

لقد ثبت عدم جدوى هذا النهج، إذ لا تتقدم قطرات الماء بشكل طبيعي عبر القنوات النانوية. إضافةً إلى ذلك، فإن إضافة مضخة إلى العملية تزيد من متطلبات الطاقة دون تقديم فوائد إضافية. ومن أهم القيود في هذه المعادلة مفهوم يُسمى "طول ديباي".

ما هو طول ديباي ولماذا هو مهم؟

يشير طول ديباي إلى المسافة المميزة لهذه الطبقة من الأيونات الحرة من السطح المشحون. هناك طول يُكوّن عنده الماء والسطح طبقة كهربائية مزدوجة قادرة على جذب الأيونات الحرة ذات الشحنات المعاكسة. والجدير بالذكر أن لكل سائل طول ديباي.

على سبيل المثال، يبلغ طول ديباي للماء النقي عند درجة حموضة 7 حوالي ميكرومتر واحد. إذا رفعنا محتوى ثاني أكسيد الكربون في الماء وغيّروا الضغط الجوي، سينخفض ​​طول ديباي إلى مقياس النانو.

دراسة رائدة: توليد الطاقة باستخدام تقنية Plug Flow

من الجدير بالذكر أن فريقًا من المهندسين أظهر إمكانية التغلب على عائق طول ديباي باستخدام أنماط تدفق محددة - أبرزها تدفق السدادة - في قنوات بمقياس المليمتر. يُلغي هذا الاكتشاف الحاجة إلى الاحتواء النانوي، وهو أمر غير عملي لمصادر المياه الطبيعية. تشمل أنماط التدفق الخمسة التي تم اختبارها التدفق الكامل، وتدفق السدادة المتقطرة، وتدفق التنقيط، وتدفق السد، وتدفق السد، وتدفق السد.

في "تدفق القابس: توليد الكهرباء المتجددة باستخدام المياه من الطبيعة من خلال كسر حد طول ديباي" يذاكر¹ نُشرت هذه الدراسة في مجلة ACS Central Science هذا الشهر. تُسلّط هذه الدراسة الضوء على نهج جديد لفصل الشحنات الكهربائية لتوليد الكهرباء. وتُقدّم طريقةً مبتكرةً تستفيد من قنواتٍ أكبر تسمح لمياه الأمطار بالتدفق بشكلٍ طبيعيٍّ لتوليد الكهرباء.

المصدر - مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية للعلوم (ACS Cent. Sci. 2025)

كيف يُنتج تدفق القابس الكهرباء باستخدام الماء والهواء

يشير مصطلح "تدفق السدادة" إلى نوع من التباعد بين القطرات في الأنبوب، يُراعي الشكل الفريد لكل قطرة. تتشكل القطرات بشكل طبيعي عند خروج الماء من إبرة معدنية أفقية، واصطدامها بجانب أنبوب بوليمر عمودي. يُسهّل هذا التوجيه إنشاء تدفق السدادة دون الحاجة إلى قطرات مُصممة هندسيًا أو مُصممة خصيصًا.

على عكس أنظمة التيار المتدفق، والتي تفقد كفاءتها في القنوات الأكبر، يحافظ تدفق القابس على إنتاجية عالية في الأنابيب بمقياس المليمتر، متغلبًا على قيد أساسي أعاق التقدم لعقود من الزمن.

تُطلق هذه الاستراتيجية تفاعلًا كيميائيًا قويًا بين الواجهات، مع إمكانية كيميائية كبيرة لفصل الشحنات. وقد تمكّن المهندسون، بذكاء، من فصل أيونات الهيدروجين (H+) والهيدروكسيد (OH-) المائية دون تكوين طبقة كهربائية مزدوجة كانت تحد من المحاولات السابقة.

يصف البحث كيف تمكن المهندسون من تحديد أن هناك حاجة إلى قنوات بحجم المليمتر للسماح للمياه من المصادر الطبيعية بالاستفادة من الجاذبية بشكل فعال للوصول إلى القنوات المحددة مسبقًا.

بخلاف الأنظمة السابقة التي اعتمدت على الحث الكهروستاتيكي من شحنات سطحية موجودة مسبقًا، يُولّد نظام تدفق القابس الكهرباء من خلال فصل الشحنات مباشرةً عند السطح البيني بين الصلب والسائل. يحدث هذا تحديدًا عند الحافة الخلفية لقطرات الماء، حيث تنفصل أيونات الهيدروجين (H⁺) والهيدروكسيد (OH⁻) بشكل طبيعي، مما يُتيح توليد الطاقة دون الحاجة إلى سطح مشحون مسبقًا. أتاحت هذه القدرة للنظام تحويل 10% من طاقة الماء المتساقط عبر الأنابيب إلى كهرباء.

جهاز تدفق القابس: بسيط، قابل للتطوير، ومستدام

يتكون نظام تدفق السدادة من وعاء بلاستيكي لحفظ الماء، ورأس إبرة مصمم خصيصًا يُثبّت في الوعاء، وأنبوب، وكوب في أسفل الجهاز. وقد استفاد هذا التصميم من الماء منزوع الأيونات ونمط تدفق مثالي لتحقيق تدفق ثابت للسدادة.

إنشاء تدفق القابس باستخدام إبرة معدنية مخصصة

صُمم رأس الإبرة المعدنية المُثبّت على خزان المياه لإنتاج قطرات بحجم قطرات المطر. تم قذف هذه القطرات. وبالتالي، تسقط بمعدل أبطأ بكثير من قطرات المطر الحقيقية، مما مكّن المهندسين من تحديد إمكانية دخول المطر إلى النظام وخروجه منه بسهولة بفعل الجاذبية.

استخدام أنبوب بوليمر مقاس 2 مم لتحقيق تدفق مثالي للسدادة

قام المهندسون بضبط إبرة معدنية لإسقاط الماء منزوع الأيونات في فتحة أنبوب بوليمر عمودي بأبعاد ١٢ بوصة × ٢ مم. صُمم هذا الأنبوب بدقة لضمان تدفق مستمر. في أسفل الأنبوب، وُضع كوب مزود بعقدة كهربائية. جمع هذا الكوب الماء المتساقط. بينما تم تجميع الكهرباء عبر أسلاك متصلة بكوب التجميع وأعلى الأنبوب.

اختبار مولد تدفق القابس: إثبات المفهوم

أجرى المهندسون عدة اختبارات لقياس قدرات نظامهم بدقة. بدأوا بإنشاء مولد كهربائي مصغر واختبار قدراته. تضمن الاختبار الأول تركيب ١٢ مصباح LED. تم توصيل المولد وتشغيله بنجاح لمدة ٢٠ ثانية.

تم توصيل مقياس كهربائي بأسلاك كأس فاراداي. مكّن هذا الإعداد الفريق من قياس الكهرباء في الكأس بدقة بعد سقوط الماء عبر الأنبوب. وخلص الفريق إلى أن الشحنة الكهربائية المضافة ناتجة عن فصل الشحنات عالي الأداء عند السطح البيني بين الصلب والسائل.

توسيع نطاق نظام تدفق القابس للاستخدام في العالم الحقيقي

قرر الفريق بعد ذلك تجربة كيفية عمل مولداتهم على التوالي. ركبوا أنبوبين لنظام تدفق القابس، وراقبوا تفاعلهما مع مرور الوقت. في إحدى التجارب، شغّل الفريق المولدات خمس مرات يوميًا، لمدة دقيقة واحدة لكل منها، لمدة أسبوع. وقد أسفر اختبارهم عن نتائج مبهرة.

نتائج اختبار تدفق القابس: الكفاءة وناتج الطاقة

كانت نتائج اختبار نظام تدفق القابس مذهلة. أولًا، وفّر النظام طاقةً أكبر بخمس مرات من جميع الطرق السابقة. وقد ثبت بالإجماع أنه أكثر فعاليةً من طرق التدفق، وذو كفاءة عالية.

على وجه التحديد، حوّل نظام تدفق السدادة أكثر من 10% من طاقة قطرات الماء إلى كهرباء. بالإضافة إلى ذلك، سجّل الفريق كثافة طاقة تبلغ حوالي 100 واط/م². وجد الباحثون أن الطاقة الحركية لعبت دورًا ضئيلًا، حيث استمد أكثر من 2% من توليد الطاقة من طاقة الوضع الجاذبية للماء المتساقط. وهذا يؤكد قدرة نظام تدفق السدادة على تسخير تدفق الماء الطبيعي دون الحاجة إلى مدخلات طاقة خارجية. وهكذا، أظهر الجهاز مستوى جديدًا من الأداء.

كيف يوفر Plug Flow إمدادًا مستمرًا بالطاقة

حرص الفريق على أن يكون مولد نظام القابس قادرًا على توفير طاقة ثابتة بعد الاستخدام المتكرر والطويل. يعمل المولد دون مضخات أو انقطاعات، مُنتجًا طاقة ثابتة، حتى مع عدم استمرار تدفق المياه. وأظهرت الدراسة أن ذلك ممكن بفضل الشحنة المتراكمة داخل النظام، والتي تتدفق بشكل طبيعي أثناء تدفق الهواء بدلًا من الماء.

طاقة تدفق الطاقة: مدمجة ونظيفة وفعالة من حيث التكلفة

تبرز دراسة نظام تدفق الطاقة عبر القابس فوائد عديدة. أولًا، يُتيح للعالم لمحة عن أنظمة توليد الطاقة المستقبلية. يوفر هذا النهج الاستدامة، ويمكن تركيبه بسهولة في المساحات الضيقة. لذا، فهو مثالي لتوليد الطاقة في المناطق الحضرية.

لا مضخات، لا مشكلة: حل طاقة صديق للبيئة

يُعد هذا النظام من أسهل الخيارات وأكثرها فعاليةً من حيث التكلفة في قطاع الطاقة الخضراء. تكاليف نظام تدفق القابس أقل بكثير مقارنةً بخيارات الطاقة الكهرومائية التقليدية. كما أن هذا الخيار سهل الإعداد والتشغيل، ويمكن لأي شخص استخدامه.

توليد الطاقة منخفضة التكلفة للانتشار العالمي

تُعد القدرة على تحمل تكاليف هذا النهج ميزةً أخرى لا يمكن الاستهانة بها. فلا توجد بدائل لتوليد الطاقة الكهرومائية على نطاق صغير. لا يتطلب هذا الخيار مضخات أو مولدات باهظة الثمن، أو حتى مصدر طاقة. وبالتالي، يُمكن نشره في أي مكان في العالم بتكلفة معقولة.

تطبيقات تدفق التوصيل في العالم الحقيقي وما سيأتي بعد ذلك

هناك تطبيقات لا حصر لها لهذه التقنية. والعالم في أمسّ الحاجة إلى حلول الطاقة الخضراء. ومع سعي الحكومات حول العالم لتحقيق أهداف صافي انبعاثات كربونية صفرية هذا القرن، تتزايد الحاجة إلى خيارات الطاقة الخضراء.

سيساعد هذا الحل الشركات والأفراد على تقليل اعتمادهم على الوقود الأحفوري وغيره من مصادر الطاقة الضارة بالبيئة. إليكم بعض تطبيقات هذه التقنية.

توليد الكهرباء من المطر والجاذبية فقط

يمكن أن يصبح نظام تدفق المياه بالقابس جزءًا لا يتجزأ من منزلك أو حتى مركبتك. هذه الأنظمة قادرة على توليد الكهرباء من مصادر مائية طبيعية، مثل مياه الأمطار أو المياه النظيفة المغذية بالجاذبية. وبينما يُحقق نظام تدفق المياه بالقابس أفضل أداء مع الماء منزوع الأيونات، فقد أثبت أداءً قويًا مع مياه الصنبور والمحاليل قليلة الملح، مما يُوسّع نطاق تطبيقاته المحتملة. سيُتيح هذا النهج توفير الكهرباء في الأماكن التي لم تكن تتوفر فيها البنية التحتية اللازمة. كما سيساعد على تقليل الطلب على النظام الحالي، الذي يحتاج بشدة إلى الإصلاحات والصيانة.

متى ستصل أنظمة تدفق القابس إلى السوق؟

تُعدّ القدرة على توليد الكهرباء من تدفق المياه، دون الحاجة إلى محركات أو مضخات أو مصادر طاقة إضافية، ميزةً هائلةً مقارنةً بالبدائل الحالية. ومن المتوقع أن نرى هذه الأنظمة تشق طريقها إلى الاقتصاد العالمي خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة، مع قيام المهندسين بتحسين توليد الطاقة وتصميمها.

تعرف على الباحثين وراء اختراق تدفق القابس

قاد هذه الدراسة فريق من المهندسين من الجامعة الوطنية في سنغافورة. وتحديدًا، سيو لينغ سوه وتشي كيت آو هما المؤلفان الرئيسيان، وقد عملا جنبًا إلى جنب مع فريق من الطلاب والباحثين.

بالإضافة إلى ذلك، تم تأمين الدعم من وزارة التعليم في سنغافورة، ووكالة العلوم والتكنولوجيا والبحوث، ومعهد الابتكار والتكنولوجيا الصحية في الجامعة الوطنية في سنغافورة.

مستقبل تدفق المكونات: ما هو التالي لهذه التقنية؟

يسعى المهندسون الآن إلى الارتقاء بدراستهم إلى مستوى أعلى من خلال تحسين إنتاج الكهرباء وأدائها. وستشمل الخطوات التالية البحث في مواد إضافية، وعمليات بناء، وسوائل. ويأملون في جعل النظام فعالاً وبأسعار معقولة قدر الإمكان.

الاستثمار في سوق الطاقة المتجددة

ازدادت تنافسية قطاع الطاقة الخضراء خلال العقد الماضي. وترى المزيد من الشركات قيمةً في أن تكون سبّاقةً في ابتكار أساليب توليد طاقة تتماشى مع حركة الاستدامة العالمية. إليكم مثالاً واحداً قاد التوجه نحو الطاقة الخضراء، وهو مؤهلٌ للاستفادة من هذه التقنية في هذه الدراسة.

كليرواي للطاقة:قوة متجددة تستحق المتابعة

كليرواي للطاقة (CWEN + 0.66٪) دخلت المجموعة السوق بعد عدة عمليات استحواذ، أبرزها استحواذها على شركة NRG Energy. بدأت NRG Energy خدماتها عام ١٩٨٩ كمزود للطاقة.

بعد استحواذها على شركة Clearway Energy، إلى جانب العديد من الشركات الأخرى، أصبحت الشركة واحدة من أكبر منتجي الطاقة في الولايات المتحدة. واليوم، لا تزال الشركة تحافظ على هذا الدور، حيث تقدم خدمات توليد الطاقة بالجملة لمجتمع عالمي.

في عام ٢٠١٨، بدأت شركة Clearway Energy التداول تحت رمزها الجديد CWEN. وقد مثّل هذا نموًا ملحوظًا في أعمالها. واليوم، تبلغ طاقة الشركة الإنتاجية الكهربائية حوالي ١١.٨ جيجاواط، وتعمل في ٢٦ ولاية.

تتمتع شركة كليروي بموقع مثالي للاستفادة من أي مبادرات للطاقة الخضراء والاكتشافات العلمية بفضل موقعها المتميز وشبكتها الواسعة. تضم الشركة أقسامًا متخصصة في أنظمة تخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية والبطاريات. أما بالنسبة للباحثين عن سهم طاقة معروف ومستقر، وهو CWEN، فيستحقون مزيدًا من البحث.

آخر الأخبار عن شركة Clearway Energy

أنظمة تدفق المياه: تحويل الأمطار إلى طاقة متجددة

قد يُحدث نظام تدفق الطاقة عبر القابس نقلة نوعية في مختلف الصناعات. فهذه التقنية قادرة على تحويل يومك العصيب إلى أفضل طريقة لتشغيل منزلك وأجهزتك الإلكترونية. لهذه الأسباب وغيرها الكثير، لا بد من الإشادة بهؤلاء المهندسين على عملهم الدؤوب وعزيمتهم.

تعرف على المزيد من مشاريع الطاقة الرائعة هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. آو، سي كيه، صن، ي.، تان، واي جي إن، جيانغ، ي.، تشانغ، ز.، تشانغ، س.، وسوه، س. (2025). تدفق القابس: توليد الكهرباء المتجددة باستخدام مياه من الطبيعة بكسر حد طول ديباي. ACS العلوم المركزية. https://doi.org/10.1021/acscentsci.4c02110}