تحليل تجريبي للأداء، والإكسيرجي، والاقتصاد لكواية شمسية أنبوبية بيضاوية مدمجة بموائع متغيرة الطور معززة بنانو

تحويل ضوء الشمس إلى مياه شرب آمنة

ينعم مليارات البشر في مناطق ساحلية جافة بوفرة مياه البحر لكنهم يعانون من ندرة المياه الصالحة للشرب. محطات التحلية الكبيرة قد تكون مكلفة وتستهلك طاقة كبيرة، ما يجعلها بعيدة المنال للعديد من المجتمعات. تستعرض هذه الدراسة جهازًا صغيرًا ومنخفض التكلفة يستخدم ضوء الشمس فقط لتحويل المياه المالحة إلى مياه عذبة بكفاءة وتكلفة أفضل من التصميمات الشائعة اليوم.

شكل جديد لصانعي المياه الشمسية

عادةً ما تكون الكوايات الشمسية التقليدية صناديق بسيطة ذات غطاء زجاجي حيث تتبخر المياه المالحة بفعل الشمس ثم تتكاثف لتصبح مياه عذبة. صمّم الباحثون شكلاً مختلفًا: أنبوبًا شفافًا بيضاويًا مستلقيًا أفقيًا. داخل الأنبوب توجد صينية معدنية سوداء ضحلة تحتوي على ماء مالح. يمكن لضوء الشمس الدخول من جميع الاتجاهات، مما يدفئ الماء فتتبخر منه ثم تتكاثف على السطح الداخلي البارد للأنبوب البيضاوي. تتدفق القطرات إلى الأسفل وتُجمع كمياه صالحة للشرب. توفر هذه الكواية الأنبوبية البيضاوية (OTSS) سطح تكاثف أكبر من التصميمات ذات الأسطح المسطحة، مما يساعد على زيادة الإنتاج.

تخزين حرارة النهار للاستخدام الليلي

أحد أوجه الضعف الرئيسية للكوايات الشمسية هو أنها تتوقف عن إنتاج الكثير من المياه العذبة بعد غروب الشمس. لمواجهة ذلك أضاف الباحثون «بطارية حرارية» خفية تحت صينية الماء المالح. استخدموا شمع البارافين، مادة شائعة تذوب عند التسخين وتتصلب عند التبريد مع تخزين وإطلاق كميات كبيرة من الحرارة. يُوضع الشمع في حجرة معدنية سفلية مباشرة تحت الماء. خلال ساعات الشمس يذوب ويخزن الحرارة؛ وبعد الغروب يتصلب ببطء، مطلقًا تلك الحرارة المخزنة مرة أخرى إلى الماء. أظهرت التجارب في القاهرة مع مياه ضحلة (وخاصة بعمق 0.5 سم) أن الشمع أبقى ماء الحوض أدفأ في المساء، مما زاد إنتاج المياه العذبة في النهار والليل بنحو 28 بالمئة مقارنة بنفس الأنبوب بدون شمع.

تعزيز تدفق الحرارة بمواد إضافية دقيقة

على الرغم من أن شمع البارافين قادر على تخزين كمية كبيرة من الحرارة، إلا أن موصلية حرارته ليست جيدة جدًا. لتحريك الحرارة داخل الشمع وخارجه بسرعة أكبر، مزج الفريق جزيئات صغيرة للغاية من أكسيد الألمنيوم، مكوّنين ما يسمونه شمع بارافين معزَّز بالنانو. هذه الجسيمات أصغر آلاف المرات من حبة الرمل لكنها ترفع قدرة الشمع على حمل الحرارة بشكل ملحوظ. اختبر الباحثون عدة تراكيز للجسيمات ووجدوا أن كمية متواضعة (0.3 بالمئة بالوزن) كانت الأفضل. بهذه الخلطة، سخن الشمع وبرّد أسرع، ناقلاً المزيد من الحرارة إلى الماء خلال ساعات بعد الظهر والمساء. ونتيجة لذلك، أنتج النظام حتى 7.26 لترات من الماء العذب لكل متر مربع من مساحة الحوض يوميًا — أي ما يقارب 42 بالمئة أكثر من نفس الجهاز بدون شمع، و11 بالمئة أكثر من الشمع العادي وحده.

قياس الكفاءة والتكلفة

بعيدًا عن عد اللترات، تناولت الدراسة مدى فعالية الـOTSS في تحويل ضوء الشمس الوارد إلى تبخر مفيد، وما ستكون عليه تكلفة تلك المياه على مدى عمر الجهاز. حول الأنبوب البيضاوي بدون شمع حوالي 43 بالمئة من الطاقة الشمسية المقبولة إلى تبخر؛ إضافة الشمع رفعت هذه النسبة إلى نحو 61 بالمئة، والشمع المعزَّز بالنانو دفعها إلى أكثر من 68 بالمئة. كما تحسن مقياس أكثر تفصيلًا يعتمد على جودة الطاقة، يُسمى كفاءة الإكسيرجي، باستمرار مع كل تحسين. ثم قدّر المؤلفون تكاليف المواد والتشغيل لعمر افتراضي قدره عشر سنوات في ظروف مصرية. وعلى الرغم من أن الشمع المتقدم والجسيمات النانوية تضيف بعض التكلفة الأولية، فإن الإنتاج الأعلى خفّض تكلفة كل لتر ماء من نحو 2.1 سنت إلى 1.63 سنتًا بالدولار الأمريكي، مما يجعل النظام المحسّن أكثر إنتاجية وأكثر اقتصادية.

ماذا يعني هذا لمناطق العطش

بعبارة بسيطة، يبيّن الباحثون أن الجمع المدروس بين تصميم أنبوبي بيضاوي جديد ومواد تخزين حرارة ذكية يمكنه استخراج المزيد من المياه العذبة من نفس كمية ضوء الشمس. يظل الجهاز بسيطًا نسبيًا — مجرد أنبوب شفاف، وصينية معدنية ضحلة، وطبقة من شمع خاص مع جسيمات دقيقة مدمجة — ومع ذلك فهو ينتج المزيد من الماء، ويعمل لفترة أطول في الليل، ويخفض سعر اللتر. للمجتمعات النائية المشمسة التي تفتقر إلى الوصول لمحطات كبيرة مستهلكة للطاقة، قد تقدم مثل هذه الكوايات الشمسية حلاً عمليًا قليل الصيانة لتأمين مياه شرب نظيفة باستخدام ماء البحر وضوء الشمس فقط.

الاستشهاد: Aly, W.I.A., Tolba, M.A. & Abdelmagied, M. Experimental performance, exergy, and economic analysis of an oval tubular solar still integrated with nano-enhanced phase change material. Sci Rep 16, 11365 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43990-y

الكلمات المفتاحية: تحلية شمسية, كواية شمسية, مادة تغير الطور, جسيمات نانوية, مياه نظيفة