تقنية الموجات فوق الصوتية تعزز جمع الماء من الغلاف الجوي

مياه نظيفة من الهواء الرقيق: أساسيات جمع الماء من الغلاف الجوي

في العديد من مناطق العالم، يُعد الماء العذب سلعة ثمينة. أحد الخيارات للحصول عليه قد يكون التحلية، لكن حتى الآن، تُعد هذه الطريقة مستهلكة للطاقة بشكل كبير، حتى وإن أحرزت تقنيات الطاقة الشمسية بعض التقدم مؤخرًا وجعلتها أقرب إلى الواقع.

تحلية مياه البحر ليست خيارًا أيضًا للعديد من المناطق الداخلية الجافة، مثل، على سبيل المثال، وسط آسيا، منغوليا، جبال تشيلي، أو معظم صحراء الصحراء الكبرى.

خيار آخر هو التقاط الماء الموجود في الهواء. العديد من الصحاري لديها في الواقع رطوبة جوية مرتفعة إلى حد ما، لكن لأسباب مناخية لا تتشكل فيها الأمطار والغيوم.

هذا هو وعد جمع الماء من الغلاف الجوي. لقد غطينا سابقًا كيف يمكن للتبريد السلبي الممزوج بطبقة سيليكون أن يعزز كفاءة جمع الماء القائم على الجاذبية وكيف البوليمرات الماصة الجديدة يمكن أن تساعد أيضًا.

يبحث الباحثون الآن عن تحسين إضافي في جمع الرطوبة الجوية، مما يقترب من مفهوم جمع الماء الخيالي “مصيدة الرياح” في عالم Dune.

استخدم فريق من MIT، بالتعاون مع الشركة الألمانية SmarAct Metrology GmbH & Co. KG، الموجات فوق الصوتية لتعزيز كفاءة امتصاص الماء الجوي. نشروا نتائجهم في مجلة Nature Communications¹ تحت عنوان “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction”.

شرح امتصاص الماء من الغلاف الجوي

طريقة جمع الماء من الهواء هي استخدام بوليمر “يمتص” الماء.

الامتصاص هو قدرة المواد الصلبة، المسماة “الممتص”، على جذب جزيئات الغازات أو المحاليل التي تتلامس معها على أسطحها – في هذه الحالة، بخارات الماء الغازية وقطرات الماء المعلقة في الهواء.

في حياتنا اليومية، نعرف مواد ممتصة مثل سيليكا جيل في التغليف التجاري. هذه العملية فعّالة نسبيًا، ويمكنها جمع كمية كبيرة من الماء المحيط.

المصدر: جامعة أوساكا الحضرية

المشكلة هي جعل البوليمر يطلق ذلك الماء. عادةً، يتطلب الأمر حرارة حوالي 100°C لإزالة امتصاص هذه البوليمرات، مما يجعل العملية غير فعّالة من حيث الطاقة ومكلفة.

“أي مادة جيدة في التقاط الماء لا ترغب في التخلي عنه. لذا تحتاج إلى الكثير من الطاقة وساعات ثمينة لسحب الماء من المادة.”

Svetlana Boriskina, –عالِم أبحاث رئيسي

حتى مع البوليمرات الأحدث التي تعمل عند درجات حرارة أقل، تظل مشكلة إطلاق الماء باستخدام الحرارة عملية بطيئة، تستغرق عشرات الدقائق أو الساعات. نتيجةً لذلك، تحتاج معظم أنظمة امتصاص الماء إلى التقاط الماء ليلًا وإطلاقه نهارًا باستخدام حرارة الشمس.

على النقيض من ذلك، يمكن للموجات فوق الصوتية تقليص زمن جمع الماء إلى بضع دقائق فقط ويمكن تنفيذها عند الطلب.

إمكانات الموجات فوق الصوتية

الموجات فوق الصوتية، أو الأمواج فوق الصوتية، هي أمواج ضغط صوتية تتردد بأكثر من 20 كيلوهرتز (20 000 دورة في الثانية). تُستخدم بشكل متزايد في تطبيقات متقدمة، مثل الطباعة الحيوية الموجهة بالموجات فوق الصوتية وشحن الأجهزة الطبية عن بُعد.

يبدو أن الموجات فوق الصوتية تهتز عند التردد المناسب لتسبب فصل جزيئات الماء عن المادة التي امتصتها.

المصدر: Nature Communications

صمم الباحثون حلقة خزفية مسطحة مصنوعة من زركونيت التيتانيوم الرصاصي (PZT)، والتي تهتز عند تطبيق الجهد.

“إنه كأن الماء يرقص مع الأمواج، وهذا الاضطراب المستهدف يخلق زخمًا يطلق جزيئات الماء، ويمكننا رؤيتها تتقلب على شكل قطرات.”

Svetlana Boriskina, –عالِم أبحاث رئيسي

لإمتصاص الماء، استخدموا عدة أنواع من هلاميات PAM‑LiCl AWH ذات مرونة مختلفة، جميعها تحتوي على أيونات الليثيوم والكلوريد لالتقاط الماء من الهواء.

المصدر: Nature Communications

عند اختبار الجهاز، استطاع هز الماء بما يكفي لتجفيف كل عينة في بضع دقائق فقط.

فحص الهلاميات بالمجهر الإلكتروني أظهر أيضًا أن الموجات فوق الصوتية لم تتلف الجل، مما يجعل هذا الجهاز متينًا بما يكفي للاستخدام العملي.

المصدر: Nature Communications

تحسين هائل في الكفاءة

لأن إطلاق الماء المدفوع بالحرارة كان يحدث مرة واحدة فقط حتى الآن، كانت كفاءة العملية منخفضة جدًا، حتى أن الجهاز المتقدم في ذلك الوقت كان يحقق فقط 9.5% من الكفاءة.

على النقيض من ذلك، يمكن لنظام MIT إنتاج الماء بشكل متكرر خلال اليوم، مما يؤدي إلى كفاءة تصل إلى 428%، أي زيادة في الكفاءة بمقدار 45 مرة.

“الأمر كله يتعلق بكمية الماء التي يمكنك استخراجها يوميًا”، تقول. “مع الموجات فوق الصوتية، يمكننا استعادة الماء بسرعة، وإعادة الدورة مرةً أخرى ومرةً أخرى. وهذا يمكن أن يتراكم إلى كمية كبيرة يوميًا.”

Svetlana Boriskina, –عالِم أبحاث رئيسي

لذا بينما يستهلك الجهاز بعض الطاقة في الحرارة (تأثير جول)، فإنه لا يزال أكثر كفاءة بكثير من جميع طرق جمع الماء الأخرى التي تم تطويرها حتى الآن.

“لقد كان الناس يبحثون عن طرق لجمع الماء من الغلاف الجوي، والتي يمكن أن تكون مصدرًا كبيرًا للماء، خصوصًا للمناطق الصحراوية والأماكن التي لا يوجد فيها ماء مالح للمعالجة.

الآن لدينا طريقة لاستعادة الماء بسرعة وكفاءة.

Svetlana Boriskina, –عالِم أبحاث رئيسي

نشر عملي في المناطق الجافة والنائية

في البداية، سيكون أفضل تطبيق لهذا الجهاز هو في المناطق الصحراوية النائية التي تفتقر إلى كل من الطاقة والبنية التحتية للمياه العذرة.

على عكس الامتصاص القائم على الحرارة، سيحتاج هذا الجهاز إلى طاقة كهربائية لتوليد الموجات فوق الصوتية، لذا سيتطلب إنتاج طاقة لامركزية، إما عبر:

• الألواح الشمسية كما في تجارب MIT.
• الرياح، التي يمكن أن تعمل ليلًا عندما تكون الرطوبة أعلى، مما يسمح بالمزيد من دورات جمع الماء التي تستغرق دقيقتين لكل ساعة.
• توليد الطاقة المتجددة + أنظمة البطاريات لتشغيل الجهاز على مدار 24/7.

عند اختبار التردد المثالي للدورة، وجد الباحثون أن الإيقاع المثالي هو السماح للمادة بامتصاص الماء لمدة ساعة، ثم استخدام الموجات فوق الصوتية لإطلاقه في دقيقتين، وتكرار الدورة.

الأهم من ذلك، أن الطاقة المطلوبة لاستخراج الماء بالموجات فوق الصوتية ظلت ثابتة، بدلاً من الانخفاض التدريجي الذي تلاحظه الطرق القائمة على الحرارة.

المصدر: Nature Communications

تحسينات مستقبلية في جمع الماء من الغلاف الجوي

مواد ممتصة من الجيل التالي

استخدمت هذه الطريقة هلاميات ليثيوم، لكن هناك العديد من المواد الممتصة الأخرى: هلاميات أخرى، أطر عضوية معدنية، حصائر ألياف دقيقة ونانوية، ومجموعات من هذه المواد.

كل منها سيحتاج إلى إعادة تقييم وإعادة هندسة لتعزيز توافقه مع طريقة الاستخراج البديلة.

ستحتاج مقاومة التحلل لهذه الممتصات الأخرى أيضًا إلى تقييم.

تحسين كفاءة الموجات فوق الصوتية

نظرًا لأن وكالة ناسا أجرت اختبارات على محركات PZT حتى 100 مليار دورة على مدار 580 يومًا ولم تُظهر أي ضرر واضح أو تراجع كبير في الأداء، فمن المتوقع أن يكون الجزء المولد للموجات فوق الصوتية من الجهاز متينًا للغاية.

مع ذلك، فإن التصميم المستخدم في هذه التجربة غير فعال نسبيًا في تحويل الطاقة إلى موجات فوق صوتية، حيث يحقق فقط كفاءة تتراوح بين 17 إلى 19%.

استخدام جهاز ترانزستور piezoelectric مركب من 1-3 بدلاً من محرك حلقي واحد قد يصل إلى كفاءة تصل إلى 35%.

يمكن أن تكون الموجات فوق الصوتية القائمة على PZT الأكبر حجمًا أكثر كفاءة بكثير من الجهاز التجريبي الصغير المختبر هنا. لذا، قد تكون كفاءة تصل إلى 1,000% أو أكثر في المتناول عند تحسين مادة PZT المستخدمة.

نحو أبراج توليد الماء؟

تحسين مهم آخر هو أن الاستخراج بالموجات فوق الصوتية لا يتطلب تعريض سطح الممتص لأشعة الشمس. لذا يمكن تكديس الأجهزة عموديًا فوق بعضها البعض دون أي قيود مبدئية على عدد الصفوف العمودية.

بدلاً من حقل واسع لامتصاص ضوء الشمس، يمكن بناء أبراج كبيرة تقوم بتدفق الماء من كل جهاز مكدس لتصميمات أكثر مركزية.

الشركات التي تحل نقص المياه

بالاشتراك مع الشركة الأوروبية Veolia، تُعد Xylem رائدة عالمية في تنقية المياه، معالجة مياه الصرف، والتحلية. توظف أكثر من 23,000 شخص (منهم أكثر من 6,000 مهندس) وتعمل في 150 دولة، مع تركيز على الولايات المتحدة، وتخدم أكثر من 35,000 عميل صناعي مباشر.

سوقها الرئيسي هو مياه الشرب والصرف البلدي، لكنها أيضًا توفر حلولًا مخصصة متعلقة بالمياه لقطاعات أخرى مثل الرعاية الصحية، الطاقة، الأغذية والمشروبات، النفط والغاز، والميكروإلكترونيات، وغيرها.

المصدر: Xylem

يمكن لـ Xylem توفير المعدات الحاسمة الحاصلة على براءات الاختراع لتنظيف أو إنتاج الماء، مثل مولدات الأوزون، مصابيح الأشعة فوق البنفسجية، أغشية التحلية، مولدات الماء الفائق النقاء، وغيرها.

كما توفر أيضًا معدات “أبسط” لكنها حاسمة للعمليات المتعلقة بالمياه مثل التوربينات، المضخات، الأنابيب، الحقن، البرمجيات، وغيرها، بالإضافة إلى خدمات الصيانة والإصلاح والتركيب، مما يجعلها متجرًا شاملًا لمعظم تطبيقات المياه.

المصدر: Xylem

سوق المياه لا يزال مجزأً إلى حد كبير، وتُعد Xylem واحدة من أكبر الشركات في هذا القطاع، لكنها لا تزال تحتفظ بـ “فقط” حصة سوقية تبلغ 10% من سوقها القابل للعنونة الذي يقدر بـ 80 مليار دولار.

تنفق الشركة حوالي 4% من مبيعاتها على البحث والتطوير. من المتوقع أن تستفيد من اللوائح الجديدة المتعلقة بـ PFAS (المواد الفلورية المتعددة السلاسل)، أو ما يُعرف بالمواد الكيميائية الدائمة، حيث يحتاج أكثر من 6,000 مرفق خدمات إلى معالجة PFAS.

نمت Xylem بشكل ثابت، حيث ارتفع صافي الدخل من 297 مليون دولار في 2012 إلى 609 مليون دولار في 2023 مع الحفاظ على هامش EBITDA ثابت يتراوح بين 17-19%.

بشكل عام، يجعل هذا الملف الاستثماري للشركة أقرب إلى شركة مرافق تنمو مع الاقتصاد العام أو بمعدل أعلى قليلًا، مقارنةً بشركات صناعية دورية.

أحدث أخبار وتطورات سهم Xylem (XYL)

الدراسة المشار إليها

^{1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. جمع ماء عالي الكفاءة من الغلاف الجوي بتمكين الاستخراج بالموجات فوق الصوتية. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2}