علوم المواد
تقنية البوليمر المدعومة بالطاقة الشمسية تقلل تكلفة التحلية إلى النصف
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
يعتمد الكثير من العالم الحديث على بنية تحتية غالبًا ما تُنسى مثل الطرق والموانئ وخطوط الكهرباء، إلخ.
بنية تحتية حاسمة أخرى هي الماء، من جمعه إلى تنقية ومعالجة مياه الصرف. الوصول إلى مياه نظيفة ليس مهمًا فقط للحياة اليومية والحفاظ على السيطرة على التلوث؛ بل هو أيضًا مورد حيوي للتصنيع ومراكز البيانات، إلخ.
للأسف، الغالبية العظمى من الماء على الأرض محبوسة في المحيطات أو في الأنهار الجليدية في القطبين الشمالي والجنوبي، مما يترك أقل من 1٪ متاحًا كمياه عذرة صالحة للاستخدام.
المصدر: OpenEdu
ولهذا السبب، قد تكون طرق التحلية الفعّالة التي لا تعتمد على أساليب مكلفة وتستهلك الكثير من الطاقة ابتكارًا كبيرًا. فهي لا تساعد فقط المناطق الجافة التي تعتمد حاليًا على تلك الطرق المكلفة، بل يمكنها أيضًا توليد مياه عذبة على أي ساحل في الأرض، حيث يعيش 80٪ من سكان العالم بالفعل.
القدرة التعاقدية المتراكمة للتحلية تجاوزت الآن 100 مليون م³/يوم، وما يقرب من 60٪ من التحلية مخصصة للاستهلاك البشري، مع 21,000 محطة تحلية مياه بحرية حول العالم.
إن جعل هذه المحطات أكثر كفاءة سيقلل أيضًا من استهلاك الطاقة ويساعد على خفض انبعاثات الكربون، وهو خطوة مهمة لأن الاحترار العالمي نفسه يُعد عاملًا في التصحر ونقص المياه الذي يزيد الحاجة إلى التحلية.
طور الباحثون الصينيون في أكاديمية بكين للعلوم بوليمرًا جديدًا بهندسة فوتوحرارية ثلاثية الأبعاد (3D) تُسرّع التبخر، مما يجعل التحلية المدعومة بالطاقة الشمسية أكثر كفاءة بكثير، ويقلل استهلاك الطاقة للتبخر بنسبة 45.7٪. نشروا نتائجهم في مجلة Advanced Materials1 تحت العنوان “الهياكل النانوية الضوئية ثلاثية الأبعاد المستقرة المتشابكة تمكّن التحلية الشمسية الموزعة”.
التحلية المدعومة بالطاقة الشمسية
هناك العديد من الطرق لإزالة الملح من مياه البحر وتحويلها إلى مياه عذبة صالحة للشرب. حاليًا، أكثر طريقة تحلية واسعة النطاق شيوعًا هي التناضح العكسي، حيث تدفع المضخات ذات الضغط العالي الماء عبر أغشية متخصصة ذات مسام دقيقة، مما يفصل الماء النقي عن الأملاح المذابة.
المشكلة هي أن هذه العملية تتطلب طاقة كبيرة وتحتاج إلى أغشية صناعية مكلفة للقيام بالمهمة.
البديل هو الطرق الحرارية، التي تستغل حقيقة أن الماء عندما يتبخر يترك الملح خلفه، مع بخار ماء عذب نقي. ومع ذلك، فإن هذه العملية أيضًا تتطلب طاقة كبيرة.
معظم المناطق الجافة هي صحارى وتتميز بأشعة شمس قوية، مما يجعل الشمس المصدر المنطقي لاستخدامه في التحلية.
ولهذا السبب، أي مادة يمكنها المساعدة في حدوث التبخر بأقل طاقة يمكنها أن تغير جذريًا اقتصاديات التحلية. على سبيل المثال، لقد تناولنا سابقًا كيف الهلام المائي يمكن أن يساعد الفوتونات على إنشاء تبخر بغض النظر عن الحرارة أو كيف يمكن استخدام عملية تركيز الأيونات لإنشاء وحدة تحلية محمولة وزنها أقل من 10 كيلوجرامات.
ما يميز البوليمر الجديد الذي طوره الباحثون الصينيون هو أنه يجمع بين المتانة وسهولة التصنيع، واختبارات واقعية أظهرت جدواه الاقتصادية في إنتاج مياه عذبة أرخص من المياه المعبأة وقادرة على زراعة المحاصيل.
التحلية المدعومة بالطاقة الشمسية عبر البوليمرات
تعظيم تعرض الشمس للضوء
نظريًا، استخدام ضوء الشمس للتحلية هو أبسط عملية، حيث يستخدم حرارة الشمس لتبخير الماء. عمليًا، قد يعتمد معدل التبخر على العديد من المتغيرات مثل الحرارة المحيطة، مساحة السطح، الرطوبة النسبية في الهواء، حركة الهواء، الضغط، ودرجة حرارة الماء.
“التبخر المدفوع بالطاقة الشمسية هو نهج واعد، لكن تطبيقه العملي غالبًا ما يُعاقب بسبب الصعوبة في دمج الأداء والمتانة والجدوى الاقتصادية بشكل متكامل”
طريقة تعرض الماء للهواء وأشعة الشمس يمكن أن تغير جذريًا سرعة التبخر والطاقة المطلوبة. ومع وضع ذلك في الاعتبار، طور الباحثون بوليمرًا بهياكل مجوفة فريدة مترابطة تعظم عملية التبخر.
المصدر: Advanced Materials
“الهيكل يحتوي على سلاسل بوليمرية مرتبطة بإحكام مع هياكل قشرية مجوفة توفر تبخرًا قياسيًا أعلى بـ 8.5 مرات من المعدلات التي تم الإبلاغ عنها سابقًا لهذه التقنية.”
هذا الهيكل يعظم امتصاص ضوء الشمس، مما يقلل الطاقة المطلوبة للتبخر. إجمالًا، تم تقليل استهلاك الطاقة للتبخر بشكل كبير عندما كان امتصاص ضوء الشمس قريبًا من الحد الأقصى النظري.
“هذا الهيكل يُظهر امتصاصًا شمسيًا واسع النطاق بنسبة 90.2٪ ويقلل استهلاك الطاقة للتبخر بنسبة 45.7٪.”
المصائد الشمسية المثالية للبوليمر
المادة المستخدمة كانت Ta₂O₅/C (تنتالوم بيروكسيد-كربون)، قادرة على امتصاص ضوء الشمس وتكوين روابط جزيئية بوليمرية قوية. طريقة عملها هي أن سلاسل بوليمر البوليستر تخترق بدقة البنية المسامية للكرات النانوية، مكوّنةً ما يُسمى “تشكل الغابة النانوية”.
المصدر: Advanced Materials
اختبر الباحث عدة أطوال لأنابيب الشعيرات لملاحظة أيها الأنسب لتحفيز التبخر. وجدوا أنه مع إضافة الهيكل المجوف، وصلت أنابيب PET إلى كفاءة شبه قصوى بطول 15 سنتيمترًا فقط.
المصدر: Advanced Materials
المتانة والتطبيقات التجارية
بعد 30 يومًا في مياه البحر، ظلت المادة غير متأثرة بالملح أو الشمس، دون أي ضرر يمكن اكتشافه حتى عند ملاحظتها بالمجهر الإلكتروني. بالإضافة إلى ذلك، لم تُكتشف جذور حرة نشطة عندما تعرضت المادة للضوء، مما يشير إلى متانة وموثوقية محتملة على المدى الطويل، حيث تُعد الجذور الحرة عاملًا رئيسيًا في تحلل البلاستيك تحت تأثير الشمس.
يُقدّر الباحثون أن المادة يمكن أن تدوم لسنوات في ظروف الحياة الواقعية وتحافظ على أدائها، وهو شرط أساسي لأي تطبيقات واسعة النطاق.
كما اختبروا إمكانية الإنتاج الضخم، باستخدام مفاعل هيدروحراري مخبري سعة 20 لتر وفرن نفق متعدد المناطق ينتج 100 غرام من المادة، والطريقة سهلة التطبيق لدفعات أكبر بكثير تصل إلى عشرات الكيلوغرامات على الأقل.
تشير تحليل تكلفة دورة الحياة الكامل إلى أنه بعد عامين من التشغيل، سيقل تكلفة إنتاج المياه إلى ما دون تكلفة المياه المعبأة المتاحة تجاريًا، مما يُظهر تنافسية اقتصادية كبيرة، على الأقل للمياه الصالحة للشرب في أي منطقة ذات وصول إلى البحر.
المصدر: Advanced Materials
اختبار النماذج الأولية
استخدم الباحثون موادهم في جهاز تحلية شمسي بتكثيف نشط مساحته 0.75 م². أنتج أكثر من 20 لترًا (5.2 جالون) من المياه العذبة تحت ضوء الشمس الطبيعي، بجودة تلبي معايير الشرب لمنظمة الصحة العالمية.
هذا الإنتاج يكفي لتلبية احتياجات الشرب اليومية الأساسية لحوالي عشرة أشخاص، باستخدام الشمس فقط ومياه البحر.
المصدر: Advanced Materials
تم اختبار نفس المياه أيضًا للمساعدة في نمو محاصيل مختلفة طوال موسم كامل، باستخدام قطعة تجريبية مساحتها 5 م². زرعوا السبانخ والذرة والكرنب الصيني، مما يوضح كيف يمكن لهذا النظام أن يساعد في زراعة المحاصيل في المناطق الجافة.
المصدر: Advanced Materials
مستقبل التحلية
يمكن إجراء اختبارات إضافية مع هذه المادة الجديدة لتحسين الإنتاج أكثر. على سبيل المثال، يمكن لمجموعات بسيطة من المرايا أن تساعد في تسخين الماء وتعزيز التبخر إلى معدل أعلى، مع تكلفة قليلة جدًا في المواد الإضافية أو تعقيد التركيب.
وبالمثل، يمكن لآلات إضافية مثل المراوح أو أنظمة دعم أخرى مثل إضافة الضغط أو تقليل الرطوبة، جميعها مدفوعة بألواح الطاقة الشمسية، أن تساعد أيضًا في رفع الإنتاجية إلى مستويات أعلى.
بشكل عام، من المحتمل أن مزيجًا من المواد المتقدمة التي تعزز الكفاءة وتصاميم بسيطة بما يكفي لتوسيعها اقتصاديًا سيسيطر على حلول التحلية.
والشركات ذات الخبرة في معالجة المياه العذبة ومحطات التحلية ستتبنى تدريجيًا هذه التصاميم الجديدة وتحديث بنيتها التحتية وفقًا لذلك.
الاستثمار في بنية تحتية مائية
Consolidated Water
CWCO مخطط السعر
Consolidated Water (CWCO ) هي مزود مهم للمياه العذبة في منطقة الكاريبي والولايات المتحدة. تخصصها هو محطات تحلية المياه، مع تركيز على المناطق ذات إمدادات المياه العذبة المحدودة.
لديها إجمالي 11 محطة قيد التشغيل، تنتج 27.3 مليون جالون من المياه العذبة يوميًا، بالإضافة إلى 97 محطة معالجة مياه. أحد العقود الرئيسية للشركة في جزر كايمان، حيث تمتلك ترخيصًا حصريًا لتقديم 6 ملايين جالون من المياه يوميًا.
المصدر: Consolidated Water
فازت الشركة مؤخرًا بالعقد لمشروع محطة رئيسية في هاواي، لتصميم وبناء وتشغيل وصيانة محطة تحلية مياه بحرية جديدة باستخدام تقنية التناضح العكسي في أواهو. ستنتج 1.7 مليون جالون من المياه الصالحة للشرب يوميًا. ستكون هذه هي المحطة الـ 24 من نوعها التي ستُنشئها Consolidated Water، والأولى في الولايات المتحدة. ستحقق إيرادات بقيمة 148 مليون دولار في العامين الأولين، تليها إيرادات ثابتة للـ 24 سنة التالية، بإجمالي 204 مليون دولار.
بالإضافة إلى تشغيل محطات المياه، الشركة أيضًا مُصنّعة لمعدات معالجة المياه عبر AEREX. تم الاستحواذ على AEREX في عام 2020 وكانت واحدة من عدة عمليات استحواذ، مما منح الشركة مزيدًا من الحجم والخبرة في تخصصها (شملت عمليات الاستحواذ الأخرى Ramey Environmental Compliance -REC، وPERC Water Corporation في كاليفورنيا).
تمتلك الشركة إيرادات مستقرة من إنتاج المياه، وإيرادات أكثر تقلبًا من مشاريع البناء الكبيرة العرضية.
المصدر: Consolidated Water
بنت الشركة خبرتها في التحلية وحل احتياجات المياه الملحة حيث لا توجد حلول سهلة. ظهور تقنيات التحلية الجديدة مع تزايد نقص المياه يجب أن يساعد Consolidated Water على اكتساب أسواق جديدة وزيادة إيراداتها في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك، سيساعد الميزانية القوية على الاستحواذات الاستراتيجية وتغطية نفقات رأس المال والبحث والتطوير لمشاريع محطات المياه الجديدة.
أحدث أخبار وتطورات أسهم American Water Works (AWK)
الدراسة المشار إليها
1. Dan Yu et al., الهياكل النانوية الضوئية ثلاثية الأبعاد المستقرة المتشابكة تمكّن التحلية الشمسية الموزعة. Advanced Materials. 21 يونيو 2026. https://doi.org/10.1002/adma.73756
