التوسيد الحراري بمواد تغيير الطور متوسطة الحرارة لتحسين أداء المقطرات الشمسية في الظروف الحارة بمصر

تحويل ضوء الشمس إلى ماء شرب آمن

العالم يواجه نقصاً في المياه النظيفة بينما مناطق مشمسة كثيرة، من شمال أفريقيا إلى الشرق الأوسط، مليئة بالطاقة الشمسية غير المستغلة. تستعرض هذه الدراسة كيفية تحويل ضوء الشمس الوفير إلى ماء شرب آمن بكفاءة أكبر باستخدام "مقطرات شمسية" بسيطة بحجم سطح السقف. بإضافة مواد خاصة لتخزين الحرارة وفي نسخة أكثر تقدماً حلقة مياه ساخنة، يبيّن الباحثون كيف يمكن لجهاز منخفض التقنية أن ينتج مزيداً من المياه العذبة من مياه مالحة أو شبه مالحة بينما يخفض التكاليف والأثر المناخي.

لماذا يهم إنتاج مياه نظيفة من الشمس

مليارات الأشخاص يفتقرون إلى وصول موثوق للمياه الصالحة للشرب، ومحطات التحلية التقليدية مكلفة وتستهلك طاقة وغالباً ما تعتمد على الوقود الأحفوري. تقدم المقطرات الشمسية بديلاً ألطف: تُملأ حوض داكن بمياه مالحة بعمق قليل، تُغطى بغطاء شفاف، ويعمل الشمس على تبخير الماء. يتكثف البخار على الجانب الداخلي للغطاء ويسيل إلى قناة جمع كماء عذب. هذه الأجهزة بسيطة وذات متانة، لكن عائقاً رئيسياً يحد من أدائها: تحت ظروف الهواء الطلق الحقيقية، تنتج المقطرة الشمسية التقليدية عادة بضعة لترات فقط من الماء لكل متر مربع يومياً، وتتوقف عن العمل بعد الغسق بفترة قصيرة.

تخزين حرارة النهار للعمل ليلاً

لتمديد زمن عمل المقطرة الشمسية، لجأ الفريق إلى مواد تغيير الطور (PCM). هذه المواد تمتص كميات كبيرة من الحرارة أثناء ذوبانها وتطلقها ببطء أثناء تبلورها، مثل كيس ثلج بالعكس. اختار الباحثون مادة PCM تجارية قائمة على أملاح تذوب عند نحو 48 °م، وهي درجة حرارة تُسجل داخل المقطرات الشمسية في صيف مصر الحار. ركّبوا عبوات PCM مغلفة بالمعدن تحت حوض إحدى المقطرات بحيث تشحن المادة بالحرارة أثناء سطوع الشمس وتعيدها إلى الماء بعد الغروب، محافظةً على استمرار التبخر لفترة أطول في المساء.

اختبار ثلاثة مسارات لزيادة المياه العذبة

في الهواء الطلق بمدينة العاشر من رمضان بمصر، شغّل الفريق ثلاث مقطرات شبه متماثلة جنباً إلى جنب: تصميم أساسي، نسخة مزودة بـ PCM تحت الحوض، وتصميم هجين جمع بين PCM ودائرة مياه منزلية ساخنة ومبادلات حرارية. وازنوا بشكل منهجي كمية PCM المضافة وسجلوا بعناية الإشعاع الشمسي ودرجات الحرارة وحجم الماء المقطر. بالنسبة للمقطرة ذات PCM فقط، وجدوا نقطة تحميل مثلى عند 2.5 كيلوجرام من PCM. عند هذه الكمية، ظل الحوض أكثر دفئاً بمقدار 6–10 °م مقارنة بالوحدة التقليدية لجزء كبير من اليوم، خاصة في وقت المتأخر من الظهيرة وأوائل الليل، وأنتجت المقطرة نحو 2.48 لتر ماء عذب لكل متر مربع يومياً—أي ما يزيد بنحو 74 بالمئة عن المقطرة الأساسية.

من مكاسب الكفاءة إلى المنافع الاقتصادية والمناخية

ترجمت الحوض الأكثر دفئاً وفترة التبخر المطولة إلى استخدام أفضل للطاقة الشمسية الواردة. وصلت المقطرة المحسّنة المدعومة بـ PCM إلى كفاءة طاقية تقارب 25 بالمئة وكفاءة إكسيرجية (أو "الشغل المفيد") تقارب 7 بالمئة، وهما أعلى بوضوح من العديد من التصاميم السابقة. وبما أن الحرارة الإضافية أتت من ضوء الشمس المخزن بدلاً من وقود أو كهرباء مضافة، انخفضت تكلفة كل لتر ماء بالرغم من المادة الإضافية. وفق افتراضات الدراسة، هبط السعر لكل لتر من نحو 6.8 سنتات في المقطرة الأساسية إلى 3.1 سنتات في النسخة المحسّنة بالـ PCM. وعلى مدى عمر عشر سنوات، قد يتجنب التصميم المحسّن أيضاً أكثر من 40 طناً من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مقارنةً ببديل يعمل بالوقود الأحفوري مماثل الإنتاج.

التقدم أكثر بدائرة مياه ساخنة هجينة

ارتقى النظام الهجين خطوة إضافية بتدوير مياه منزلية ساخنة عبر مبادلات حرارية داخل المقطرة، فوق طبقة الـ PCM. مصدر الدفء الإضافي هذا أبقى الحوض أكثر سخونة في أواخر اليوم وسمح باستخدام كتلة PCM أكبر قليلاً (نحو 3 كيلوجرامات) بفعالية. في أفضل الحالات، قفز إنتاج المياه العذبة بأكثر من 50 بالمئة مقارنةً بالـ PCM وحده وتضاعف أكثر من مرة مقارنةً بالمقطرة التقليدية. ومع ذلك، أضاف ذلك تعقيداً وتكلفة أولية، وتعتمد الجدوى الاقتصادية بقوة على كيفية توليد تلك المياه الساخنة في الممارسات الواقعية.

ما معنى هذا للمناطق المشمسة العطشى

للمجتمعات في مناخات حارة ومشمسة وبنية تحتية محدودة، تُظهر الدراسة أن مواد تخزين الحرارة المختارة بعناية يمكن أن تحول المقطرة الشمسية المتواضعة إلى مصدر مياه عذبة أكثر قدرة بكثير. تصميم بسيط محسّن بالـ PCM، باستخدام مادة متوسطة الحرارة متاحة تجارياً بالفعل، يمكن أن يوفر ماءً أكثر يومياً بتكلفة أقل ومع تقليص ملموس لانبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ورغم أن التجارب غطت فترة صيفية قصيرة وأن اختبارات أطول أمداً وفي مواسم ومواقع مختلفة لا تزال مطلوبة، تشير النتائج إلى خيارات عملية وقابلة للتوسع لتحلية مدفوعة بالطاقة الشمسية قد تساعد في تخفيف ضغوط المياه في مصر ومناطق مماثلة.

الاستشهاد: Elsayed, M., Mansour, M.S., Yahya, H. et al. Thermal buffering with medium-temperature PCM for enhanced solar still performance in hot Egyptian conditions. Sci Rep 16, 12733 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47006-7

الكلمات المفتاحية: تحلية بالطاقة الشمسية, مقطرة شمسية, مادة تغير الطور, تخزين الطاقة الحرارية, مياه نظيفة