تقييم شامل لتحسين إنتاجية المقطرة الشمسية باستخدام فتيل مبتكر ومادة لتخزين الطاقة

تحويل ضوء الشمس إلى مياه شرب

في أجزاء كبيرة من العالم، ضوء الشمس متوفر لكن مياه الشرب النظيفة نادرة. المقطرات الشمسية — أجهزة بسيطة تستخدم الشمس لتبخير ثم تكثيف الماء — توفر وسيلة منخفضة التقنية لتحويل المياه المالحة أو الملوثة إلى ماء شرب آمن. ومع ذلك فإن معظم المقطرات الشمسية تنتج الماء ببطء، مما يحد من تأثيرها في العالم الواقعي. تستكشف هذه الدراسة كيفية استخراج مزيد من المياه العذبة من نفس قدر الإشعاع الشمسي عبر إضافة فتيل قماشي خاص مصنوع من الخيزران وكتل من معادن شائعة لتخزين الحرارة، مع مقارنة تصميمين بسيطين جنبًا إلى جنب.

صناديق بسيطة تصنع مياه عذبة

تبدو المقطرة الشمسية الأساسية كصندوق ضحل ذو أرضية معدنية داكنة، وطبقة رقيقة من الماء، وغطاء زجاجي شفاف موضوع بزاوية. يسخن ضوء الشمس السطح الداكن والماء، فيتبخر الماء. يرتفع البخار، يلامس الزجاج الأبرد، يتكثف إلى قطرات وتنساب إلى مزلق يتم جمعها كماء مقطر. بنى الباحثون نموذجين شائعين: مقطرة ذات ميل مفرد بغطاء زجاجي مائل واحد، ومقطرة ذات ميل مزدوج بغطاء زجاجي يميل على جانبي الصندوق. كلاهما صُنعا من نفس المواد ولهما نفس مساحة الأرضية حتى تعود أي فروق في الأداء إلى التصميم والإضافات الداخلية لا إلى الحجم.

استخدام القماش والمعدن لتسريع التبخر

لزيادة الناتج دون إضافة آلات معقدة، ركز الفريق على تعديلين منخفضي التكلفة: فتيل وكتل تخزين حرارية. كان الفتيل من قماش خيزران مُصبوغ بالأسود لامتصاص المزيد من ضوء الشمس. وبما أن ألياف الخيزران تمتص الماء طبيعيًا إلى الأعلى، نشرت القطعة القماشية طبقة رقيقة من الماء على مساحة أكبر، مما ساعدها على التسخين السريع والتبخر الأسرع. تحت ذلك وضع الباحثون قطعًا معدنية من فولاذ لين، أو حديد زهر، أو نحاس. تعمل هذه المعادن كأسفنج حراري تمتص الحرارة عندما تكون الشمس قوية وتطلقها لاحقًا، محافظةً على دفء الماء حتى حين تتلاشى أشعة الشمس. اختُبر خمسة إعدادات: مقطرة «تقليدية» خالية، ومقطرة مع الفتيل فقط، وثلاثة إعدادات أخرى مع الفتيل بالإضافة إلى كل نوع من المعادن الثلاثة.

قياس الحرارة والشمس وكل قطرة

أُجريت التجارب في جنوب الهند خلال أيام أبريل الصافية، من الصباح الباكر حتى المساء، مع وضع كلا نوعي المقطرات جنبًا إلى جنب ليتعرضا لنفس الطقس والشمس. رصدت الأجهزة شدة الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح ودرجات الحرارة في نقاط رئيسية: صفيحة الماص، الماء والبخار داخل الصندوق، الغطاء الزجاجي، والمياه المكثفة المجمعة. وزن الباحثون الماء المقطر كل ساعة لرصد كيفية تغير الإنتاجية على مدار اليوم وحتى الليل. كما حسبوا مدى كفاءة كل تصميم في تحويل الإشعاع الوارد إلى تبخر مفيد، وكمية الطاقة المتاحة فعليًا لأداء الشغل — مفهوم يعرف بالإكسيرجي (exergy) الذي يبرز خسائر الطاقة داخل النظام.

أي تصميم وأي مواد أعطت أفضل نتيجة

أحدث كل من فتيل الخيزران وكتل المعادن فرقًا ملحوظًا، لكن تركيبة واحدة برزت. عبر الحالات الخمس، أنتجت المقطرة ذات الميل المزدوج مياهًا أكثر باستمرار من المقطرة ذات الميل المفرد لأنها وفرت سطحًا زجاجيًا أكبر للتكثيف واستخدامًا أفضل للحرارة المحتجزة. رفع إضافة فتيل الخيزران وحدها درجة حرارة الماء وإنتاج البخار. وعند إقران الفتيل بكتل النحاس — أفضل ناقل حراري بين المعادن المختبرة — ارتفعت كل من الحرارة والناتج أكثر. في هذه الحالة الأعلى أداءً، وصلت كفاءة التحويل الحراري للمقطرة ذات الميل المزدوج إلى نحو 41.7% في المتوسط وكفاءة الإكسيرجي إلى 3.1%، وهي أعلى من أي إعداد آخر. على مدار يوم كامل، ارتفع محصول المياه العذبة من نحو 3.4 لترات للمقطرة ذات الميل المفرد مع النحاس والفتيل إلى نحو 3.8 لترات للمقطرة ذات الميل المزدوج.

الفوائد البيئية والاقتصادية

بما أن المقطرات المحسنة تحصد مزيدًا من الماء من نفس ضوء الشمس والمواد، درس الباحثون أيضًا الآثار البيئية والاقتصادية طويلة الأمد. كان وقت استرداد الطاقة مشابهًا في كلا التصميمين، ما يعني أنهما يعيدان الطاقة المستخدمة في بنائهما خلال ما يزيد قليلاً عن عام ونصف من التشغيل. ومع ذلك، أنتجت المقطرة ذات الميل المزدوج طاقة مفيدة أكثر وخفّضت انبعاثات الاحتباس الحراري أكثر على مدار العمر الافتراضي، مكتسبةً مزيدًا من «اعتمادات الكربون» المحتملة. اقتصاديًا، جعل الأداء المضاف تكلفة كل لتر من الماء المقطر في المقطرة ذات الميل المزدوج أقل قليلًا من تلك في المقطرة ذات الميل المفرد، رغم تشابه تكلفة البناء الأساسية لكلا النظامين.

ماذا يعني هذا للمجتمعات العطشى

بالنسبة للأشخاص الذين يعيشون في مناطق مشمسة ويعانون من محدودية الوصول إلى مياه نظيفة، يظهر هذا العمل أن تغييرًا بسيطًا في الشكل واستخدامًا ذكيًا لمواد يومية يمكن أن يجعل المقطرات الشمسية الصغيرة أكثر إنتاجية بشكل ملحوظ. يمكن لصندوق بميل مزدوج مزود بفتيل قماشي من خيزران أسود وكتل تخزين حرارية من النحاس أن يوفر مياهًا عذبة أكثر يوميًا، ويستخدم الطاقة الشمسية بكفاءة أكبر، ويظل ميسور التكلفة وصديقًا للبيئة. وعلى الرغم من أن الاختبارات كانت قصيرة المدى ومحلية لمناخ واحد، فإن هذا النهج يشير إلى أنظمة تحلية منخفضة التقنية ومتماسكة قد تساعد المجتمعات البعيدة والمزارع والأسر على تحويل ضوء الشمس المتوفر إلى تدفق أكثر موثوقية من مياه الشرب الآمنة.

الاستشهاد: Rajkumar, D., Vijayakumar, R., Madhu, P. et al. A comprehensive assessment of solar still productivity enhancement using novel wick and energy storage material. Sci Rep 16, 14324 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43571-z

الكلمات المفتاحية: تحلية شمسية, إنتاج مياه عذبة, فتيل من الخيزران, تخزين الطاقة الحرارية, مقطرة شمسية ذات ميول مزدوجة