مركب تآزري قائم على أطر معدنية‑عضوية يمكّن تحسينًا كبيرًا في تحويل الطاقة الشمسية إلى ماء في جمع الماء الجوي المقاوم للمناخ

تحويل الهواء إلى ماء صالح للشرب

تعاني أجزاء كثيرة من العالم من نقص مائي مزمن، بينما يحمل الهواء فوقنا مياهًا تفوق في حجمها مياه الأنهار والبحيرات على الأرض بعدة أضعاف. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لمادة وتصميم جهاز جديد أن يستخلص مزيدًا من تلك المياه الخفية من الهواء باستخدام ضوء الشمس فقط، حتى في المناخات الصعبة. يشير العمل إلى آلات مدمجة وخارجة عن الشبكة يمكن أن تزوّد مياهًا نظيفة دون الحاجة إلى آبار أو أنابيب أو شبكات كهرباء.

لماذا نحصد الماء من الهواء الرقيق؟

يعيش مليارات الناس مع وصول غير موثوق إلى المياه العذبة، بينما يحمل الغلاف الجوي مستودعًا هائلًا من بخار الماء. بنى المهندسون بالفعل أجهزة تبرد الهواء الرطب لجمع الندى، أو تلتقط القطرات من الضباب، أو تستخدم مواد إسفنجية لامتصاص الرطوبة ثم إطلاقها لاحقًا. من بين هذه الحلول، تظل الأنظمة التي تعمل بالطاقة الشمسية وتستخدم مواد امتزاز خاصة جذابة بشكل خاص لأنها يمكن أن تعمل في أماكن نائية دون وقود أو بطاريات. مع ذلك، العديد من المواد الحالية تحتاج إلى درجات حرارة عالية لإطلاق الماء الممتص، وهو أمر يصعب تحقيقه لعدة ساعات في اليوم تحت ضوء الشمس الخارجي الحقيقي. ونتيجة لذلك، تهدر هذه الأجهزة غالبًا الليالي الطويلة الرطبة وتؤدي أداءً دون المستوى في الأيام الغائمة أو المعتدلة.

إسفنجة مائية ذكية مصنوعة من مكوّنين

عالج الباحثون هذه المشكلة بدمج مكوّنَين معروفين جيدًا في «إسفنجة ماء» واحدة مصممة بعناية. الهيكل الأساسي هو إطار بلوري مسامي يُعرف بالأطر المعدنية‑العضوية (MOF)، وله مساحة سطح داخلية هائلة وقنوات يمكنها امتصاص الماء بسرعة. داخل هذه القنوات الصغيرة أدخلوا ملحًا شائعًا، كلوريد الليثيوم، الذي يجذب الماء بكميات كبيرة لكنه عادةً ما يصبح فوضويًا وغير مستقر عند سَائِلته. بغمر الـMOF في محلول ملحي ثم تجفيفه، خلقوا طبقة رقيقة ومتجانسة من الملح على الأسطح الداخلية دون سدّ الهيكل. أكدت قياسات حجم المسام ومساحة السطح والتركيب الكيميائي أن الملح شكل طبقة موحدة داخل الإطار بدل أن يتكتّل على السطح الخارجي.

امتصاص رطوبة الليل وإطلاقها تحت شمس لطيفة

أظهرت اختبارات امتصاص الماء أن هذا المركب يمكنه امتصاص كميات استثنائية من الماء، خصوصًا عندما يكون الهواء رطبًا إلى حد ما، كما في الليل في المناطق الجافة. تلتقط المادة الماء على مراحل: تربطه أولًا بقوة بالملح، ثم تسمح للملح بأن يذوب جزئيًا، وأخيرًا تنتفخ بمحلول ممتص. والأهم من ذلك أن ما يقرب من كل هذا الماء يمكن تحريره عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا، تقارب حرارة ماء الصنبور الساخن، بدلًا من الدرجات الأعلى التي تطلبها العديد من ممتزات الـMOF السابقة. أكدت تجارب التكرار أن المادة قادرة على الامتزاز والإطلاق مرارًا وتكرارًا بكميات كبيرة من الماء دون فقدان السعة أو تسرب الملح.

جهاز مدمج يعمل بالطاقة الشمسية ويدير الحرارة بحكمة

لتحويل هذه المادة إلى أداة عملية، بنى الفريق لوحة معيارية مؤلفة من العديد من الخراطيش الصغيرة المملوءة بالمركب ومغطاة بسطح داكن ماص لضوء الشمس. في الليل، تسحب الخراطيش المكشوفة الرطوبة من الهواء. خلال النهار، تدفئ أشعة الشمس اللوحة، فتسخّن الماصّ فيطلق بخار الماء إلى داخل حجرة مغلقة حيث يحول سطح أبرد البخار مرة أخرى إلى ماء سائل. تساعد لوحة نقل مزدوجة الطبقة داخل الجهاز على الحفاظ على الجانب الساخن ساخنًا والجانب البارد باردًا، مما يبسط التوازن الدقيق بين التسخين للإطلاق والتبريد للتكثيف. في تجارب مخبرية، أنتجت لوحة بحجم طاولة أكثر من لتر واحد من الماء لكل متر مربع خلال سبع ساعات وأظهرت كفاءة حرارية أعلى بحوالي ربع مقارنةً بنفس الجهاز المستخدم فيه الـMOF وحده.

العمل عبر الفصول والأماكن

أظهرت اختبارات ميدانية في ثلاث مدن صينية ذات مناخات مختلفة تمامًا—شنغهاي الرطبة شبه الاستوائية، وجينان القارية الحارة، وكونمينغ المرتفعة الباردة—أن الجهاز القائم على المركب تفوّق باستمرار على جهاز مماثل يستخدم الـMOF فقط. اعتمادًا على الموقع، جمع النظام الجديد نحو 50 إلى أكثر من 90 بالمئة ماءً سائلًا إضافيًا تحت ظروف خارجية متطابقة، بما في ذلك أيام ذات ضوء شمس أضعف ودرجات حرارة أدنى. في بعض الحالات، بدأ إنتاج الماء في وقت أبكر من الصباح واستمر الامتزاز لفترة أطول ليلًا، مستفيدًا بشكل أفضل من دورة الرطوبة النهارية‑الليلية الطبيعية. ومن المهم أن التحليل الكيميائي للماء المجمّع لم يظهر أي آثار مكتشفة لليثيوم أو النيكل أو معادن أخرى، ما يشير إلى أن الماء نقي مثل الماء المقطر وأن الملح يبقى مؤمنًا داخل المادة.

ماذا يعني هذا لحلول المياه المستقبلية

بعبارة بسيطة، بنى الباحثون «إسفنجة هواء» أفضل ووضعوها في صندوق أذكى. بدمج بلورة مسامية مع ملح محب للرطوبة، ومن ثم إقران ذلك بإدارة حرارة ذكية، أنشأوا نظامًا يمكنه سحب مزيد من الماء من الهواء مع استهلاك طاقة أقل للقيام بذلك. وبما أنه يعمل عند درجات حرارة أقل وعبر ظروف جوية متباينة، قد تؤدي هذه المقاربة إلى أجهزة شمسية الت‑غذية ميسورة التكلفة توفر مياه شرب في مناطق جافة ونائية أو متأثرة بتغير المناخ. يقدم العمل مخططًا لكيفية جمع مواد ذات نقاط قوة تكميلية لتحويل ضوء الشمس والهواء الرطب إلى مصدر موثوق للمياه العذبة.

الاستشهاد: Shao, Z., Feng, X., Poredoš, P. et al. Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH. Nat Commun 17, 2097 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68946-8

الكلمات المفتاحية: حصاد الماء الجوي, تحلية بالطاقة الشمسية, أطر معدنية‑عضوية, أملاح محبّة للرطوبة, إمداد مياه خارج الشبكة