دراسة على طلاء الوسائط المسامية بالإضافة إلى تأثير نقاط الكم الكربونية وجسيمات الجرافيت النانوية على إنتاجية المقطِّر الشمسي الأنبوبِي (TSS)

تحويل ضوء الشمس إلى مياه شرب

في كثير من المناطق المشمسة، المياه الصالحة للشرب نادرة على الرغم من وفرة ضوء الشمس. تبحث هذه الدراسة في جهاز بسيط يُسمى المقطِّر الشمسي الأنبوبِي — أنبوب بلاستيكي شفاف يحول الماء المالح أو الملوث إلى ماء عذب باستخدام حرارة الشمس فقط. طرح الباحثون سؤالاً عملياً: هل يمكن زيادة كمية المياه العذبة التي ينتجها هذا الأنبوب عن طريق تغيير السطح الداخلي فقط، باستخدام طبقات منخفضة التكلفة مصنوعة من جزيئات كربونية دقيقة ومواد مسامية يومية مثل الإسفنج واللوف؟

لماذا يهم الأنبوب البسيط

يعمل المقطِّر الشمسي الأنبوبِي بطريقة تشبه إلى حد ما بيت الزجاج الموضوع على جانبه. يمر ضوء الشمس عبر الأنبوب الخارجي الشفاف ويسخّن صفيحة داخلية داكنة تحوي طبقة رقيقة من الماء المالح. مع تسخّن الماء يتبخر، تاركاً الأملاح والشوائب خلفه. يرتفع بخار الماء، ويلامس السطح الداخلي الأبرد للأنبوب، ويتكثف على شكل قطرات تنساب إلى قناة تجميع كمياه نظيفة. هذا التصميم جذاب للقرى النائية لأنه بسيط ويعمل بطاقة الشمس المجانية ويمكن بناؤه من مواد شائعة. التحدي أن النسخ التقليدية تنتج كمية مياه يومية قليلة جداً، لذا فإن تحسين الإنتاجية دون إضافة تعقيد أو تكلفة عالية أمر حاسم.

جزيئات كربون صغيرة كجاذبات للشمس

ركزت المجموعة الأولى من التجارب على استبدال الطلاء الأسود العادي على الصفيحة المعدنية الداخلية بطلاءات احتوت على نقاط كم كربونية (جزيئات كربون فائقة الصغر بحجم مليارات الأمتار) وجسيمات جرافيت نانوية أكبر قليلاً. تعمل هذه الجسيمات كجاذبات شمسية قوية: تمتص نطاقاً واسعاً من ضوء الشمس وتحوله بسرعة إلى حرارة. بنى الفريق ثلاثة مقطِّرات أنبوبية متطابقة وغطى إحدى الصفائح بدهان أسود قياسي، وأخرى بدهان أسود مضاف إليه جسيمات جرافيت، وثالثة بدهان أسود مضاف إليه نقاط الكم الكربونية. تحت نفس ظروف الاختبار في الهواء الطلق، أنتجت الصفيحة المحتوية على نقاط الكم الكربونية نحو 30% ماءً عذباً أكثر من الطلاء الأسود العادي وحققت أعلى كفاءة حرارية، ما يعني أن جزءاً أكبر من ضوء الشمس الوارد تحول إلى تبخر بدلاً من أن يفقد كحرارة ضائعة.

الإسفنجات اليومية كموزعات للماء

بعد ذلك، اختبر الباحثون ماذا يحدث عندما تُغطى الصفيحة ليس بجسيمات خاصة بل بمواد مسامية شائعة — إسفنجة مطبخ ونبات لوف طبيعي. تمتص هذه المواد الماء وتبسطه عبر شبكة من المسام الدقيقة، مما يزيد بشكل كبير مساحة السطح المبللة التي يمكن أن يتبخر منها الماء. في هذا السيناريو الثاني، تفوقت الصفيحة المغطاة بالإسفنجة بوضوح على كلا من اللوف والصفيحة المطلية بالدهان الأسود البسيط. رغم أن الطلاء الأسود كان أحياناً يسخن قليلاً أكثر، فإن الإسفنجة حوّلت تلك الحرارة إلى تبخر أكبر، مقدمة أعلى إنتاجية للمياه العذبة بالساعة وخلال النهار. بينما كان اللوف أقل فعالية من الإسفنجة، فإنه أظهر أيضاً أن المواد النباتية منخفضة التكلفة قادرة على تحسين الأداء.

دمج جاذبات الشمس والإسفنج

أكثر الاختبارات واعدة جمع بين نقاط القوة في الفكرتين: البنية المسامية للإسفنجة مع الامتصاص القوي للضوء بواسطة نقاط الكم الكربونية. في هذا التصميم الهجين، طُليت الإسفنجة أو خُلِطت مع نقاط الكم ووُضعت على صفيحة الماص. أنتج هذا التكوين أفضل النتائج على الإطلاق. قدم المقطِّر ذو السطح الهجين من الإسفنجة–نقاط الكم إنتاجاً تراكمياً بلغ 3.66 لترات من المياه العذبة لكل متر مربع من مساحة الماص خلال يوم الاختبار، أي ما يقارب 38% أكثر من المقطِّر المطلي بالدهان الأسود التقليدي. كما ارتفعت كفاءته الحرارية القصوى بشكل ملحوظ، مؤكدة أن الطلاء الخاص ساعد في التقاط وتوزيع الطاقة الشمسية بشكل أكثر فعالية بينما حافظت الإسفنجة على أفلام مائية رقيقة على اتصال وثيق مع السطح الدافئ.

ماذا يعني هذا للمجتمعات العطشى

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: من خلال إعادة تصميم ذكية للسطح الداخلي لمقطِّر شمسي بسيط — باستخدام جزيئات كربونية دقيقة لالتقاط ضوء الشمس وإسفنجات يومية لنشر وامتصاص الماء — يمكن زيادة كمية المياه الصالحة للشرب المنتجة بشكل ملحوظ دون إضافة أجزاء متحركة أو مضخات أو كهرباء. تظهر الدراسة أن مثل هذه الأسطح الهجينة يمكن أن تجعل التقطير الشمسي أكثر كفاءة وأكثر جاذبية للقرى والمزارع والمجتمعات الساحلية التي تفتقر إلى معالجة مركزية للمياه. مع مزيد من العمل على المتانة والتشغيل الليلي، قد يساعد هذا النهج على تحويل مزيد من ضوء الشمس القوي في العالم إلى تدفق مستمر من مياه شرب آمنة ومنخفضة التكلفة.

الاستشهاد: El-Fakharany, M.K., Elbrashy, A., Rashad, M. et al. Investigation on porous media coating plus effect of carbon quantum dots and graphite nanoparticles on tubular solar still (TSS) productivity. Sci Rep 16, 11235 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43530-8

الكلمات المفتاحية: تحلية المياه بالطاقة الشمسية, المقطِّر الشمسي الأنبوبِي, المواد النانوية, الإسفنج المسامي, ندرة المياه العذبة