كيف يمكن للماء المستخرج من الهواء أن يعيد تشكيل أمن المياه

البنية التحتية للمرافق مثل الكهرباء والطاقة بشكل عام تتجه تدريجياً من نموذج مركزي (محطة طاقة واحدة كبيرة، عشرات الآلاف من العملاء) إلى نموذج لامركزي، حيث تساعد تقنيات مثل الخلايا الضوئية وتوربينات الرياح الصغيرة المنتجين الصغار على تحقيق الاستقلالية الطاقية بأنفسهم.

يمكن أن يحدث عملية مشابهة مع الماء، حيث يصبح إنتاج الماء من رطوبة الجو خيارًا اقتصاديًا متزايدًا. لن يحل هذا محل أنظمة المياه البلدية للمدن الكبيرة، لكنه قد يغيّر المعادلة بشكل جذري لأمن المياه، خاصة في المناطق النائية أو الدول النامية، بنفس الطريقة التي غيرت بها إنتاج الكهرباء اللامركزية باستخدام الألواح الشمسية. لذا يصبح تقنية مكملة أكثر مصداقية لتوفير مياه مقاومة للانقطاع ومدمجة في المباني.

تم تحليل إمكانات هذه التقنية مؤخرًا في دراسة أجراها باحثون في جامعة براك (بنغلاديش) وجامعة سوينبرن للتكنولوجيا (أستراليا). نشروا نتائجهم في مجلة Applied Thermal Engineering¹ تحت العنوان “من الهواء إلى الماء: العلم، التكنولوجيا، ومستقبل جمع المياه الجوي (AWH)”.

الماء من الهواء الرقيق؟

بشكل عام، المياه العذرة مورد نادر على الأرض، حيث تُحجز الغالبية العظمى من المياه في المحيطات على شكل مياه مالحة، وتُحجز معظم المياه العذرة في الأنهار الجليدية، خاصة فوق غرينلاند وأنتاركتيكا.

المصدر: OpenEdu

هذه المشكلة، بطبيعة الحال، أكثر حدة في المناطق الصحراوية والجافة، لكنها ليست محصورة فيها.

“ندرة المياه ليست مشكلة تقتصر على المناطق الجافة؛ حتى المناطق الغنية بالمياه تعاني من نقص موسمي بسبب سوء إدارة المياه وتغيرات المناخ. من المتوقع أن يتفاقم الوضع بسبب تغير المناخ، النمو السكاني، التوسع الصناعي، والاستخراج المفرط للمياه الجوفية.”

حاليًا، يعيش أكثر من 1.6 مليار شخص في مدن تواجه نقصًا في المياه، ومن المتوقع أن يتضاعف هذا العدد خلال الثلاثين سنة القادمة، مع تزايد التلوث والاستغلال المفرط لموارد المياه الجوفية.

“مناطق مثل الهند، والشرق الأوسط، وشمال أفريقيا، وأجزاء من الولايات المتحدة تشهد انخفاضًا مقلقًا في مستويات المياه الجوفية نتيجة الاستعمال المفرط. في كثير من الحالات، لا تستطيع الطبقات الجوفية التعافي، مما يؤدي إلى فقدان دائم للمياه العذرة.”

تحلية المياه خيار للمناطق الساحلية، لكنه عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة ويمكن أن تضر بالنظم البيئية البحرية. بعض الابتكارات حول الطاقة الشمسية وإنتاج مشترك للهدروجين والمياه العذرة قد تساعد، لكن لا يزال هذا في مرحلة التطوير.

غالبًا ما تحتفظ المياه المُحلاة بتركيزات من البورون والكلوريد والصوديوم قد تتجاوز مستويات تحمل المحاصيل للزراعة. كما أن التحلية عملية مركزية بطبيعتها وتتطلب بنية تحتية ثقيلة.

المصدر: Applied Thermal Engineering

لهذا يُنظر إلى توليد المياه الجوي (AWG) كتقنية تستخرج الرطوبة من الهواء وتحوّلها إلى ماء صالح للاستخدام، حيث إن المياه الجوية هي بالفعل مياه عذرة.

هذه ليست تقنية جديدة تمامًا، فقد استخدمت الحضارات في المناطق الجافة طرقًا بدائية مثل جمع الندى، جمع الضباب، وتقنيات التكثيف السلبية. وهناك طرق تعتمد على الضغط والكهرباء، لكنها لم تُنشر بفعالية على نطاق واسع. لكن طرقًا جديدة تظهر الآن.

بشكل عام، لا تقتصر هذه التقنية على جغرافيا أو مصادر مياه موجودة، مما يجعلها مثالية لـ:

• المناطق الصحراوية التي نادراً ما تهطل فيها الأمطار.
• المجتمعات المعزولة التي لا تملك بنية تحتية للمياه.
• المناطق المتضررة من الكوارث حيث تم تعطيل إمدادات المياه.

كيف يعمل جمع المياه الجوي؟

يعمل جمع المياه الجوي (AWH) أساسًا عبر آليتين: التكثيف القائم على التبريد واستخلاص الماء القائم على الامتصاص.

طرق التكثيف تشبه عمل مضخة الحرارة، إلا أن التصميم يركز على تعظيم تكثيف الماء:

“يُبرَّد الهواء الرطب إلى درجة حرارة أقل من نقطة الندى، فيتكوّن بخار الماء على سطح مبرد على شكل قطرات سائلة تُجمع لاحقًا كمياه صالحة للشرب.”

المصدر: Applied Thermal Engineering

في استخلاص الماء القائم على الامتصاص تُستَخدم مواد جافة (ممتصة للبخار) وتُفرج المياه عبر تقلبات درجات الحرارة الطبيعية.

يمكن أيضًا ذكر أنظمة جمع الندى الإشعاعي، حيث تُسهِّل ألواح متخصصة تكثيف الماء عبر التبريد الإشعاعي السلبي، وجمع الضباب التي تستخدم هياكل بشبكات لتجميع وتوحيد قطرات الماء المعلقة في الضباب.

الامتصاص، والتقنيات الإشعاعية، وجمع الضباب كلها طرق سلبية تستغل الظواهر الطبيعية مثل الإشعاع الشمسي المباشر أو الفروقات الحرارية ولا تتطلب طاقة عالية.

توجد أنظمة هجينة تمزج الطرق السلبية مع دورة ضغط البخار (VCRC) أو التبريد الكهروحراري.

ما الذي وجدته الدراسة

أولًا، حللت الدراسة الإمكانات الجغرافية لـ AWH، ووجدت أن تركيز الرطوبة يمكن أن يتراوح من أجزاء من جرام الماء في المناطق القطبية إلى عشرات الجرامات لكل متر مكعب في المناخات الحارة والرطبة.

مع ذلك، لا يكفي قياس الرطوبة النسبية وحده ولا يُعد المعيار الوحيد، خاصة للأنظمة السلبية. تحدد درجة الحرارة، محتوى الرطوبة المطلق، توفر الشمس، وتكاليف الطاقة المحلية الجدوى التقنية والاقتصادية لنظام AWH.

تكلفة النظام نفسه قد تكون عاملًا حاسمًا في معدلات الاعتماد، خاصة في المناطق التي تعاني من ضعف الوصول إلى رأس المال.

استخلاص الماء بالامتصاص

تستخدم الأنظمة القائمة على الامتصاص موادًا معينة مثل هلام السيليكا، الزيلوت، والهياكل المعدنية العضوية (MOFs)، التي يمكنها امتصاص بخار الماء من الهواء بفعالية حتى في ظروف رطوبة منخفضة.

بفضل كفاءتها من حيث التكلفة والطاقة مقارنةً بطريقة التكثيف، أعطى الامتصاص دفعة جديدة لمفهوم جمع المياه الجوي.

المصدر: Applied Thermal Engineering

الإصدارات الحديثة من هذه الأنظمة تدمج الآن آليات توصيل هواء ذات درجة حرارة عالية تصل إلى 128°C عبر مجمعات أنابيب فراغية مزدوجة الطرف، مما يضمن تجديد المادة الجافة بكفاءة حتى تحت إشعاع شمسي متقلب. بعض التصاميم حققت إنتاجية 4.40 لترات/يوم بتكلفة مخفضة تبلغ 0.092 دولار/لتر.

“شبكات بوليمرية ذات نواة-قشرة قابلة للترطيب، يمكنها جمع 6.5 لترات من الماء لكل كيلوغرام من المادة يوميًا تحت ضوء الشمس، حتى في ظروف رطوبة منخفضة.”

طبيعتها السلبية، التي يمكن تشغيلها بالكامل بالطاقة الشمسية، تجعلها سهلة النشر، خاصةً لأنها تتطلب صيانة منخفضة ومهارات تقنية قليلة.

قياس التلوث أمر حاسم

كما هو الحال مع أي مصدر ماء، من المهم التأكد من عدم حدوث تلوث بكتيري. ولكن بما أن الماء يُستخرج من الهواء، فإن تلوث الهواء يمكن أن يُجمع أيضًا.

هذا يصبح مشكلة خاصةً بالنسبة لامتصاص المركبات العضوية المتطايرة (VOCs). هنا، يحقق الامتصاص القائم على الملح (SAWH) جودة ماء متفوقة مع تركيزات VOC أقل بكثير مقارنةً بالمولدات الجويّة التقليدية القائمة على التكثيف (AWGs).

يجب أيضًا قياس ومراقبة المعادن المحتملة، الملوثات المذابة، والملوثات الناجمة عن النظام لضمان موثوقية نظام جمع المياه واستخدامه بأمان على نطاق واسع.

اعتماد نهج متكامل

يمكن للنظام الهجين أن يدمج أيضًا مواد تغيير الطور (PCM) لتحسين إدارة الحرارة والاستقرار التشغيلي. تستطيع PCM تخزين الطاقة الحرارية الزائدة خلال فترات الإشعاع الشمسي العالي وإطلاقها خلال فترات الإشعاع المنخفض، مما يتيح تشغيلًا ممتدًا وتحسينًا في استغلال الطاقة.

على سبيل المثال، حقق نظام ما إنتاجية ماء قصوى قدرها 4.25 لترات/يوم وتكلفة إنتاج تقريبية تبلغ 0.11 دولار/لتر.

يوصي مؤلفو الدراسة باتباع نهج أكثر شمولية بدلاً من التركيز على تقنية محددة.

على سبيل المثال، خاصةً في المناطق المتقدمة، من خلال استخراج الرطوبة من هواء السحب أو الهواء المعاد تدويره، يمكن لأنظمة AWH أن تعمل كوحدات تجفيف نشطة، تقلل بشكل كبير من الحمل الحراري الكامن على أنظمة تكييف الهواء الأساسية. بذلك لا ينتجون ماءً عذبًا فحسب، بل يقللون أيضًا من استهلاك الطاقة لأنظمة HVAC.

يمكن لهذا الناتج المزدوج تحسين تكلفة الماء المتكافئة (LCW) بشكل جذري وتغيير المعادلة الاقتصادية بعيدًا عن حالات الاستخدام في المناطق النائية أو الفقيرة.

توصيات لاعتماد AWH

تحقق أنظمة AWH القائمة على التكثيف أعلى إنتاجية مائية، مما يجعلها جذابة للتطبيقات التي تتطلب إنتاج ماء عالي، مثل الاستخدام السكني أو الصناعي.

تكون أنظمة AWH القائمة على الامتصاص مفيدة بشكل خاص في المناخات منخفضة الرطوبة، حيث تفشل طرق التكثيف التقليدية. ومع ذلك، قد تزيد المواد الامتصاصية المكلفة (مثل MOFs أو مركبات الجفاف) من تكاليف التشغيل. المواد المتقدمة مثل الهلاميات المائية تحمل إمكانات أكبر، لكن الأبحاث بدأت فقط في عام 2023.

تظهر الأنظمة الهجينة لـ AWH درجات عالية في إنتاجية الماء وتكيفها مع المناخ، مما يجعلها حلولًا متعددة الاستخدامات تناسب ظروف بيئية متباينة. لكنها تتطلب دمجًا دقيقًا لمكونات متعددة (مثل المواد الامتصاصية، وحدات التبريد، أنظمة التحكم)، مما يزيد من تكاليف التصميم والصيانة.

سوق AWH & المستقبل

الفرصة القريبة الأجل لأنظمة جمع المياه الجوي من المرجح أن تكون في المرافق النائية، الاستجابة للكوارث، البنية التحتية الجزيرة، والعسكرية/اللوجستية، حيث إن هذه الاستخدامات هي الأكثر احتمالًا لتواجه احتياجات مائية ملحة غير مُلباة ولا يمكن حلها بسهولة عبر التحلية أو الأنابيب الطويلة أو المياه الجوفية. في هذه الحالات، يمكن لتكلفة بناء بنى تحتية بديلة أو انخفاض القلق بشأن تحسين التكلفة أن يساعد أنظمة AWH على البناء بأحجام أكبر، مما يدعم توسيع نطاق ونضوج هذه التقنية.

على المدى الطويل، من المرجح أن توفر المواقع الصناعية والمباني الحضرية ذات الرطوبة العالية سوقًا أكبر بكثير، خاصةً مع تقدم المواد الامتصاصية مثل الهلاميات المائية والأنظمة الهجينة التي تضيف كفاءة إضافية من خلال دمجها مع أنظمة HVAC القائمة. يمكن أن توفر إمدادًا مائيًا منخفض التكلفة إضافيًا، لكنها لن تمثل استبدالًا جماعيًا لشبكات المياه المركزية، بل ستكون مكملًا مفيدًا للموارد النادرة والمتوترة بالفعل.

الاستثمار في جمع المياه

Carrier Global

Carrier هي رائدة في HVAC (التدفئة والتهوية وتكييف الهواء) (التجاري والسكني)، سلسلة التبريد، والحريق والأمن، وتوظف أكثر من 58,000 موظف. تأسست في عام 1915، استحوذت عليها United Technologies في 1979، وأعيد فصلها مرة أخرى في 2020، قبل اندماج United Technologies مع Raytheon.

على الرغم من أنها لا تبيع مضخات حرارة فقط، فإنها تركز على فئة منتجات تعتبر مستقبل الصناعة. تشمل علامة Carrier، بالإضافة إلى علامات تجارية كبرى أخرى مثل أعمال HVAC الخاصة بـ Toshiba (تم الاستحواذ في 2022) وViessmann.

تركز بشكل أساسي على الأمريكتين، حيث يشكل HVAC أكثر من نصف مبيعاتها.

تمتلك قاعدة مركبة من أكثر من 330,000 نظام HVAC تجاري، 33 مليون نظام HVAC سكني، 1.8 مليون جهاز تبريد، وأكثر من 90 مليون نظام حريق وأمن. كما أنها تتوسع في تخزين البطاريات تحت علامة Viessmann.

Carrier ليست شركة متخصصة مباشرة في جمع المياه الجوي. ولكن بصفتها رائدة في أنظمة HVAC، ستستفيد مباشرة من تحوّل الأسواق نحو الأنظمة المتكاملة في المباني حيث يمكن لجمع المياه أن يخفّف من الأحمال الحرارية الكامنة، يستعيد الحرارة المهدرة، ويصبح جزءًا من بنية المباني الذكية.

الشركة عازمة أيضًا على خفض انبعاثات الغازات الدفيئة (GHG) بشكل جذري بحلول 2030، مما يجعلها سهمًا جيدًا للمستثمرين الباحثين عن تعرض لقطاع التحكم بالمناخ والتنمية المستدامة.

آخر أخبار وتطورات سهم Carrier Global (CARR)

الدراسة المشار إليها

^{1. Gourab Saha. From air to water: science, technology, and future of atmospheric water harvesting (AWH). Applied Thermal Engineering. Date: أغسطس 2026. Article: 132073. Volume: Volume 302, Part 5. 10.1016/j.applthermaleng.2026.132073}