التحقيق التجريبي والعددي في أداء المقطر الشمسي أحادي الميل المحسّن بمواد مسامية ماصة: تقييمات حرارية واقتصادية وبيئية

تحويل ضوء الشمس إلى ماء صالح للشرب

بالنسبة لملايين الأشخاص الذين يعيشون في مناطق جافة ومشمسة، قد تكون المياه المالحة أو المائية قليلة الملوحة متوفرة بينما تكون مياه الشرب الآمنة نادرة. يمكن لجهاز بسيط واحد، المقطر الشمسي، أن يحول ضوء الشمس إلى ماء عذب باستخدام حوض ضحل وغطاء شفاف ودورة التبخر والتكثف الطبيعية فقط. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن أن يجعل إضافة مواد مسامية يومية مثل إسفنجة المطبخ أو الحجر البركاني هذه الأجهزة منخفضة التقنية تنتج ماءً أكثر بتكلفة أقل، مع تقليل انبعاثات الاحتباس الحراري.

صندوق بسيط يحاكي دورة الماء

المقطر الشمسي أحادي الميل هو في الأساس بيت زجاجي صغير موضوع على جانبه. تجلس المياه المالحة في حوض داكن تحت غطاء زجاجي مائل. يعبر ضوء الشمس الزجاج، ويُسخّن الماء، مما يسبب تبخره. يرتفع الهواء الرطب، ويلامس الزجاج الأكثر برودة، ويتكثف إلى قطرات تجري إلى قناة تجميع كماء مقطر وصالح للشرب. التصاميم التقليدية رخيصة ومتينة لكنها تعاني من إنتاجية منخفضة: حتى في يوم مشمس، عادةً ما تنتج أقل من لتر واحد لكل متر مربع، مما يحد من فائدتها للأسر أو القرى التي تحتاج إمدادات موثوقة.

إضافة الإسفنج والحجارة لزيادة الإنتاج

اختبر الباحثون ثلاث نسخ من هذا المقطر الأساسي في مناخ كربلاء الحار والجاف في العراق: وحدة تقليدية بحوض مكشوف؛ نسخة حُشى حوضها بحجر البوميس، وهو حجر مسامي خفيف الوزن؛ وأخرى مملوءة بإسفنجة الميلامين، وهي رغوة خفيفة جدًا ومسامية للغاية تُستخدم غالبًا للتنظيف. تمتص هذه المواد الماء وتعرضه للهواء عبر مسام لا تعد ولا تحصى. هذا يزيد كثيرًا من المساحة التي يمكن أن يحدث فيها التبخر، ويغير أيضًا كيفية تخزين الحرارة وإطلاقها داخل الجهاز.

تجارب ميدانية وفحوصات حاسوبية

شُغلت المقطرا ت الثلاثة جنبًا إلى جنب في الهواء الطلق تحت ضوء الشمس الطبيعي، باستخدام ماء مالح قليل العمق مشابه لما قد يوجد في الآبار الريفية. قاس الفريق بعناية درجات حرارة الماء والبخار والزجاج، وكذلك كمية الماء المقطر المنتجة كل ساعة. في الوقت نفسه، بنوا نموذجًا حاسوبيًا مفصلاً لتدفق الحرارة والسوائل داخل المقطرات باستخدام برنامج محاكاة هندسي. طابقت درجات الحرارة والمخرجات المحاكاة التجارب عن كثب—ضمن نحو 2.4 في المئة—مما أعطى ثقة بأن النموذج التقط الفيزياء الأساسية ويمكن استخدامه لاستكشاف الأداء في ظروف أخرى.

ماء أكثر، تكلفة أقل، وهواء أنظف

أحدثت المواد المسامية فرقًا واضحًا. أنتج المقطر المملوء بإسفنجة الميلامين نحو 1.35 لترًا من الماء العذب يوميًا—بزيادة 56.9 في المئة تقريبًا عن الوحدة التقليدية—في حين رفعت نسخة حجر البوميس الإنتاج بنحو 22.9 في المئة. تُرجمت درجات الحرارة الأعلى للماء والبخار داخل المقطرات المعدلة إلى تبخر أكبر وتكثف أسرع على الزجاج، وأثبتت مسامية إسفنجة الميلامين العالية جدًا (أكثر من 99 في المئة فراغ) فعاليتها بشكل خاص. ارتفعت الكفاءة الحرارية، وهي مقياس لمدى تحويل ضوء الشمس الوارد إلى تبخر، من نحو 31.5 في المئة في المقطر التقليدي إلى 38.2 في المئة مع البوميس و49.3 في المئة مع الإسفنجة.

النظر في المال والطاقة والبيئة

نظرًا لأن هذه الأنظمة موجهة للمجتمعات منخفضة الدخل وخارج الشبكة، فقد فحص الفريق ليس فقط الفيزياء بل أيضًا الاقتصاد والأثر البيئي. حتى بعد احتساب الشراء والصيانة والقيمة المتبقية عند التخلص، قدم المقطر المملوء بإسفنجة الميلامين أقل تكلفة للماء، بحوالي 0.076 دولار أمريكي لكل لتر، بانخفاض قدره 35 في المئة مقارنة بالتصميم التقليدي. كان زمن استرداد التكلفة المالية—المدة التي تستغرقها المدخرات الناتجة عن إنتاج الماء لتغطية الاستثمار الأولي—نحو سنتين ونصف، أقصر من كل من المقطر المكشوف ونظيره المملوء بالبوميس. من منظور الطاقة، استرجعت المقطرات الطاقة المستخدمة في تصنيعها في أقل من عام بكثير، على الرغم من أن جودة تلك الطاقة (قدرتها على أداء شغل مفيد) ظلت محدودة، مما يعكس قيدًا أساسيًا للتسخين منخفض الحرارة. من الناحية البيئية، يمكن أن يؤدي استبدال التحلية أو الضخ المعتمدة على الكهرباء بهذه المقطرات العاملة بالطاقة الشمسية إلى تجنب نحو 1.6 طن متري من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سنويًا لكل وحدة إسفنجة ميلامين.

ماذا يعني هذا للمناطق العطشى والمشمسة

بعبارة واضحة، حشو حوض المقطر الشمسي البسيط بإسفنجة مسامية رخيصة يحوله إلى جهاز إنتاج ماء أكثر إنتاجية وفعالية من حيث التكلفة. بينما يظل هذا الأسلوب مناسبًا أكثر للاستخدام الصغير النطاق—الأسر والمزارع أو المواقع النائية—فهو يقدم وسيلة واعدة منخفضة الصيانة لتحويل ضوء الشمس القاسي والمياه الهامشية إلى تيار ثابت من مياه الشرب الآمنة. تُظهر الدراسة أن الاستخدام المدروس للمواد الشائعة يمكن أن يقلّب تقريبًا تكلفة اللتر، ويسرّع الاسترداد، ويخفض تلوث المناخ، مما يجعل المقطرات الشمسية أداة أكثر عملية في مكافحة ندرة المياه.

الاستشهاد: Majeed, S.H., Rashid, F.L., Azziz, H.N. et al. Experimental and numerical investigation of single-slope solar still performance enhanced by porous absorbing materials: thermal, economic, and environmental assessments. Sci Rep 16, 8487 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41901-9

الكلمات المفتاحية: تحلية المياه بالطاقة الشمسية, المقطر الشمسي, المواد المسامية, إسفنجة الميلامين, مياه خارج الشبكة