الطاقة الشمسية يمكنها أن تفعل أكثر من توفير الطاقة النظيفة – يمكنها توليد ماء نظيف في المناطق الجافة

في دول مثل كندا والبرازيل، نادرًا ما تكون إمكانية الوصول إلى المياه العذرة مصدر قلق. ومع ذلك، الواقع هو أن هناك العديد من المناطق المأهولة والجافة حول العالم حيث المياه العذرة تُعد رفاهية. لحسن الحظ، هناك حلول موجودة بالفعل وتُطوَّر لمعالجة هذه المشكلة – مثل حصادات الماء الجوي (AWH)

في اختراق حديث، طور الباحثون حصاد ماء جوي محتمل أن يكون ثوريًا يعتمد على تقنية الامتصاص السلبية المدعومة بالطاقة الشمسية. جوهر هذه الابتكار يكمن في استخدامه لـ “جيلات مسامية فائقة الامتصاص” تم تطويرها حديثًا. تتكون هذه الجيلات من نيتريد التيتانيوم، هيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز، وLiCl (THL)، وقد أظهرت قدرات استثنائية في امتصاص الماء عبر نطاق واسع من الرطوبة (15%–90% RH). يُقال إن التركيبة الفريدة من المواد تمكّن من حركيات امتصاص وتفريغ سريعة (معدل تحرير المادة الممتصة مسبقًا)، مما يعزز الكفاءة بشكل كبير عند استخدامها في حصادات الماء الجوي.

الدراسة الصادرة، التي تفصل الاختراق المذكور أعلاه، تؤكد قدرة الجهاز على تحقيق إنتاجية ماء عالية، حتى في البيئات الجافة، وقد تم التحقق من تطبيقه العملي بالفعل من خلال اختبارات خارجية في مواسم مختلفة.

هذه التقنية الخاصة بـ AWH، التي تُظهر نهجًا مستدامًا وفعالًا لتخفيف ندرة المياه في المناطق الجافة، تقارن بشكل إيجابي مع أنظمة حصاد الماء المدفوعة بالطاقة الشمسية الأخرى، والأهم من ذلك، أنها تلبي معايير منظمة الصحة العالمية للمياه الصالحة للشرب.

حصادات الماء الجوي

إذن، تم تطوير جيل مسامي مائي جديد يجب أن يرفع من كفاءة وفعالية حصادات الماء الجوي المستخدمة حول العالم. هذا رائع، لكن كيف تعمل هذه الأجهزة فعليًا؟

كما يوحي اسمها، حصاد الماء الجوي (AWH) هو جهاز مصمم لاستخلاص الماء من الهواء. تُعد هذه الأجهزة ذات قيمة خاصة في المناطق الجافة حيث تكون مصادر المياه التقليدية نادرة أو ملوثة. تختلف التقنية وراء حصادات الماء الجوي الحالية، لكنها تدور عمومًا حول التقاط بخار الماء من الهواء وتكثيفه إلى ماء سائل.

أكثر تصاميم أنظمة حصاد الماء الجوي شيوعًا تعتمد على مبدأ التكثف، مشابه لتشكل الندى. عادةً ما يتضمن هذا التصميم:

1. مدخل الهواء: يُسحب الهواء إلى النظام باستخدام مروحة.
2. التبريد والتكثف: يُبرَّد الهواء الرطب إلى ما دون نقطة الندى، غالبًا باستخدام مكثف مبرد أو مكثف مبرد بـPeltier، مما يؤدي إلى تكثف بخار الماء إلى قطرات.
3. جمع المياه: تُجمع المياه المكثفة في خزان، تُفلتر، وأحيانًا تُمعدن لتحسين الطعم.
4. التوزيع: أخيرًا، تُخزن المياه للاستخدام لاحقًا أو تُنقل مباشرة للاستهلاك الفوري.

يمكن أن تختلف أنظمة حصاد الماء الجوي في الحجم من وحدات صغيرة محمولة مناسبة للاستخدام الفردي أو الأسري إلى تركيبات صناعية ضخمة. تعتمد كفاءة هذه الأنظمة إلى حد كبير على رطوبة ودرجة حرارة البيئة؛ عادةً ما تؤدي مستويات الرطوبة الأعلى إلى إنتاجية ماء أعلى – وهذا هو السبب في أن أي تحسين في الكفاءة في البيئات الجافة يُستقبل بترحيب، مثل ما يقدمه استخدام الجيلات الممسية الفائقة الجديدة.

مع قدرتها على التوسع في الحجم، تُستخدم حصادات الماء الجوي عادةً في مختلف الإعدادات:

المناطق الجافة والمعرضة للجفاف: توفر مصدرًا حيويًا للمياه الصالحة للشرب في المناطق التي تكون فيها المياه نادرة.

التطبيقات العسكرية: الوحدات المحمولة من حصادات الماء الجوي مفيدة لتوفير المياه للجنود في المواقع النائية.

المجتمعات النائية والإغاثة الطارئة: توفر مصدرًا فوريًا للمياه الصالحة للشرب في المجتمعات النائية أو أثناء الكوارث الطبيعية عندما تكون مصادر المياه التقليدية غير متاحة أو ملوثة.

الزراعة: تُستخدم بعض أنظمة حصاد الماء الجوي للري في المناطق الجافة.

التقدم في تقنية حصاد الماء الجوي التي تشمل الجيلات الممسية الفائقة وإطارات المعادن العضوية (MOFs) مستعد لتحسين الأنظمة التقليدية القائمة على التبريد، مما يوفر القدرة على امتصاص بخار الماء بتكلفة طاقة أقل بكثير. من المفترض أن تجعل هذه الابتكارات حصادات الماء الجوي أكثر كفاءة وإمكانية في مجموعة أوسع من الظروف المناخية.

إمدادات المياه العذبة

معظم المياه العذبة في العالم توجد في الأنهار الجليدية والقبعات الجليدية، حيث تشكل تقريبًا 69% من موارد المياه العذبة العالمية. تقع هذه في المقام الأول في المناطق القطبية والمرتفعات الجبلية، مثل القارة القطبية الجنوبية، غرينلاند، ومختلف السلاسل الجبلية حول العالم. أكبر الخزانات التالية للمياه العذبة هي مصادر المياه الجوفية، التي تشكل حوالي 30% من الإجمالي. فقط نسبة صغيرة (أقل من 1%) من المياه العذبة في العالم متاحة في الأنهار، البحيرات، والجو.

في المناطق التي تُحتاج فيها إلى حصادات الماء الجوي (AWHs)، غالبًا ما يكون العثور على ماء نظيف صعبًا بسبب عدة أسباب:

المناخات الجافة: العديد من المناطق التي تحتاج إلى حصادات الماء الجوي هي مناطق جافة أو شبه جافة مع هطول أمطار منخفض. يشمل ذلك مساحات شاسعة من أفريقيا، الشرق الأوسط، أجزاء من أمريكا الجنوبية، آسيا الوسطى، وأستراليا.

استنزاف وتلوث المياه الجوفية: يؤدي الاستخدام المفرط للمياه الجوفية في الزراعة والشرب، إلى جانب عدم تجديدها بشكل كافٍ، إلى استنزافها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتلوث المياه الجوفية بالملوثات الطبيعية والبشرية، مما يجعلها غير صالحة للاستهلاك.

نقص البنية التحتية: تفتقر العديد من المناطق النائية أو غير المتطورة إلى البنية التحتية لجمع، معالجة، وتوزيع المياه. غالبًا ما يتفاقم ذلك بسبب القيود الاقتصادية.

تغير المناخ: تؤثر التغيرات في أنماط المناخ على مصادر المياه التقليدية. بعض المناطق تشهد جفافًا مطولًا، بينما تواجه أخرى ذوبان الأنهار الجليدية، مما يؤثر على توفر المياه على المدى الطويل.

الاكتظاظ السكاني والتحضر: في المناطق المكتظة بالسكان أو المتسارعة التحضر، قد تكون إمدادات المياه الحالية غير كافية لتلبية الطلب. علاوة على ذلك، يؤدي التحضر غالبًا إلى تلوث مصادر المياه المتاحة.

التحديات السياسية والاقتصادية: في بعض الحالات، يتأثر إدارة وتوزيع موارد المياه بالقضايا السياسية والاقتصادية، مما يؤدي إلى عدم مساواة في الوصول إلى المياه.

توفر حصادات الماء الجوي بديلاً من خلال استخراج الماء من الهواء، مما يمكن أن يكون حلًا قابلاً للتطبيق في المناطق التي لا توجد فيها مصادر أخرى، أو تكون غير كافية أو غير آمنة. تُعد هذه التقنية ذات قيمة خاصة في المناطق التي يكون فيها الهواء رطبًا لكن هطول الأمطار منخفضًا، مما يجعل المصادر المائية التقليدية غير موثوقة.

الحلول الحالية

في الوقت الحالي، هناك عدة تقنيات تنافس أو تكمل حصادات الماء الجوي (AWHs) في إنتاج المياه العذبة، خاصة في المناطق التي تشكل فيها ندرة المياه مشكلة كبيرة. ومع ذلك، كل منها يأتي مع مجموعة من المزايا والتحديات. بعض الحلول البديلة الأكثر بروزًا تشمل:

تحلية المياه: هذه واحدة من أبرز الطرق لإنتاج مياه عذبة من مياه البحر أو المياه المالحة. تحلية المياه تستخدم أساسًا تقنيتين: التناضح العكسي، الذي يفلتر الماء عبر غشاء شبه نفاذ، والتحلية الحرارية التي تتضمن تسخين وتبخير الماء ثم تكثيف البخار. تُعد محطات التحلية شائعة بشكل خاص في المناطق الجافة مثل الشرق الأوسط. رغم فعاليتها، فإن جهود التحلية عادةً ما تكون مكلفة، وتتطلب كمية كبيرة من الطاقة.

إعادة تدوير المياه وإعادة استخدامها: تمكّن تقنيات معالجة المياه المتقدمة من إعادة تدوير مياه الصرف إلى مياه صالحة للشرب. يشمل ذلك معالجة مياه الصرف الصحي، والصناعية، والزراعية. يمكن استخدام المياه المعاد تدويرها لأغراض مختلفة، بما في ذلك الري، والعمليات الصناعية، وإعادة تعبئة إمدادات المياه العذبة. عادةً ما يتطلب هذا النهج مرافق كبيرة وتكاليف تشغيل مرتفعة.

جمع مياه الأمطار: هذه طريقة أبسط وأكثر تقليدية لجمع وتخزين مياه الأمطار للاستخدام لاحقًا. تلتقط أنظمة جمع مياه الأمطار الماء من أسطح المنازل أو الأسطح الأخرى وتخزنه في خزانات. رغم أنها أقل تقدمًا تكنولوجيًا من حصادات الماء الجوي، إلا أنها طريقة مستدامة لتكميل إمدادات المياه، خاصة في المناطق التي تشهد هطول أمطار موسمي. نظرًا لاعتماد هذه الطريقة على هطول الأمطار، فهي ليست موثوقة مثل بعض الأساليب الأخرى. ولا يوجد ضمان بأن المياه المجمعة لن تحتاج إلى معالجة إضافية لضمان سلامتها للاستهلاك.

جمع الضباب: مشابه لحصادات الماء الجوي، تجمع حاصدات الضباب الماء من الغلاف الجوي. تستخدم شبكات من القماش الكبيرة لالتقاط قطرات الماء الموجودة في الضباب، ثم تتجمع وتقطر إلى خزانات الجمع. هذه الطريقة مناسبة في المناطق الساحلية أو الجبلية حيث يكون الضباب متكررًا.

إعادة شحن المياه الجوفية: يتضمن ذلك توجيه مياه الأمطار أو المياه المعاد تدويرها إلى الأرض لتجديد الطبقات الجوفية. تشمل التقنيات بناء أحواض إعادة الشحن، برك التسرب، واستخدام الأرصفة النفاذة. إنها طريقة لضمان إمدادات مياه جوفية مستدامة، والتي تُعد مصدرًا رئيسيًا للمياه العذبة في العديد من المناطق.

المقلاة الشمسية للمياه: تقنية بسيطة حيث تُستخدم الطاقة الشمسية لتبخير المياه الملوثة أو المالحة، ثم يُجمع المكثف كمياه مقطرة. هذه الطريقة أكثر ملاءمة للتطبيقات الصغيرة وتُعد مفيدة بشكل خاص في المناطق النائية ذات الإشعاع الشمسي الغزير.

كل من هذه التقنيات لها مجالات تطبيقها بناءً على الاعتبارات الجغرافية والمناخية والاقتصادية. في كثير من الحالات، يُستخدم مزيج من هذه التقنيات لضمان إمداد ماء موثوق ومستدام.