מרכיב קומפוזיטי מבוסס MOF שמסכל סינרגטית משפר בצורה משמעותית המרת שמש למים ב-AWH עמיד לאקלים

הפיכת אוויר למי שתייה

אזורים רבים בעולם מתמודדים עם מחסור כרוני במים, אך האוויר שמעלינו מכיל כמה פעמים יותר מים מכל הנהרות והאגמים על כדור הארץ. מחקר זה מראה כיצד חומר ועיצוב מכשיר חדשים יכולים לחלץ יותר מהמים המוסתרים הללו מהאוויר תוך שימוש רק באור שמש, גם באקלימים מאתגרים. העבודה מצביעה על מכשירים קומפקטיים עצמאיים שיכולים לספק מים נקיים ללא בארות, צינורות או רשתות חשמל.

מדוע לקטוף מים מאוויר דליל?

מיליארדי אנשים חיים עם גישה לא יציבה למים מתוקים, בעוד שהאטמוספירה נושאת באופן קבוע מאגר עצום של אדי מים. מהנדסים כבר בנו מכשירים שמקררים אוויר לחיתוך טל, לוכדים טיפות בערפל, או משתמשים בחומרים ספוגיים לספיגת לחות ושחרורה מאוחר יותר. מבין אלה, מערכות שמופעלות על ידי שמש ומשתמשות בחומרי ספיחה מיוחדים מושכות במיוחד כי הן יכולות לפעול במקומות מרוחקים ללא דלק או סוללות. עם זאת, חומרים רבים נדרשים לטמפרטורות גבוהות לשחרור המים להם הם קיבעו, דבר שקשה להשיג שעות רבות ביום תחת אור שמש חיצוני אמיתי. כתוצאה מכך, מכשירים אלה לעתים מבזבזים את הלילות הלחים הארוכים ונחלשים בימים מעוננים או מתונים.

ספוג מים חכם מבנוי משני מרכיבים

החוקרים התמודדו עם הבעיה על‑ידי שילוב של שני מרכיבים ידועים היטב למבנה ספוגי למהרן בקפידה. השלד הוא מסגרת גבישית נקבובית המכונה MOF, בעלת שטח פנים פנימי עצום ותעלות היכולות לקלוט מים במהירות. לתוך התעלות הקטנות הללו הוסיפו מלח נפוץ, כלוריד ליתיום, שנוטה למשוך כמויות גדולות של מים אך בדרך כלל הופך לבוץ ולא יציב כאשר הוא מתמוסס. על‑ידי השריית ה‑MOF בתמיסת מלח ולאחר מכן ייבוש, יצרו ציפוי דק ואחיד של המלח על המשטחים הפנימיים מבלי לסתום את המבנה. מדידות גודל הנקבוביות, שטח הפנים והרכב הכימי אישרו שהמלח התהווה כשכבה אחידה בתוך המסגרת במקום להתגבש מחוץ לה.

סופג לחות לילית, משחרר תחת שמש עדינה

ניסויים של קליטת מים הראו שהקומפוזיט יכול לספוג כמויות יוצאות דופן של מים, במיוחד כאשר האוויר די לח, כפי שקורה בלילות באזורים צחיחים. החומר קולט מים בכמה שלבים: תחילה קישור חזק למלח, לאחר מכן התמסות חלקית של המלח, ולבסוף נפיחה עם התמיסה שנספגה. הדבר הקריטי הוא שכמעט כל המים הללו ניתנים לשחרור בטמפרטורות יחסית נמוכות, בערך בטמפרטורת מים חמים מהברז, במקום הטמפרטורות הרבה יותר גבוהות שנדרשו מרבית הסופחים מבוססי‑MOF הקודמים. ניסויי מחזור חוזר אישרו שהחומר יכול לספוח ולשחרר כמויות גדולות של מים שוב ושוב מבלי לאבד קיבולת או לדלוף מלח.

מכשיר קומפקטי המופעל בסולארית שמנהל חום בתבונה

כדי להפוך את החומר לכלי מעשי, הצוות בנה פאנל מודולרי שמורכב ממחסנית קטנות רבות הממולאות בקומפוזיט ומכוסות במשטח כהה הסופג שמש. בלילה, המחסניות החשופות מושכות לחות מהאוויר. במהלך היום, שמש מחממת את הפאנל ומעלה את טמפרטורת הסופח כך שישחרר אדי מים לתוך תא סגור שבו משטח מקורר מסייע להפוך את האדים לנוזל. צלחת העברה מיוחדת בעלת שתי שכבות בתוך המכשיר שומרת שהצד החם יישאר חם והצד הקר קר, ומפשטת את האיזון העדין בין חימום לשחרור וקירור לידי מגעעבותית. בניסויים במעבדה, פאנל בגודל שולחן הפיק מעל ליטר מים למטר מרובע בשבע שעות והצגתם יעילות תרמית גבוהה בכ‑25% בערך לעומת אותו מכשיר שהשתמש רק ב‑MOF.

עובד בכל העונות והמקומות

ניסויי שטח בשלוש ערים סיניות עם אקלימים שונים מאוד — שנחאי הלחה תת‑טרופית, ג׳ינאן חמה‑יבשתית וקונמינג קרה בגובה רב — הדגימו שהמכשיר המבוסס קומפוזיט עקב ביצועים טובים יותר ממכשיר דומה המשתמש רק ב‑MOF. בהתאם לאתר, המערכת החדשה אספה כ‑50 עד למעל 90 אחוז מים נוזליים יותר בתנאי חוץ זהים, כולל בימים עם קרינת שמש חלשה וטמפרטורות נמוכות. במקרים מסוימים התחילה לייצר מים מוקדם יותר בבוקר והמשיכה לספוח לחות מאוחר יותר בלילה, מה שהוביל לניצול טוב יותר של מחזור הלחה יום–לילה. חשוב לציין שניתוח כימי של המים שנאספו לא גלה שאריות ניתנות לזיהוי של ליתיום, ניקל או מתכות אחרות, מה שמעיד שהמים נקיים כדיסטילטור ושהמלח נשאר נעול בבטחה בתוך החומר.

מה זה אומר לפתרונות מים עתידיים

במילים פשוטות, החוקרים בנו "ספוג אוויר" טוב יותר ועטפו אותו בתיבה חכמה יותר. על‑ידי חיבור גביש נקבובי עם מלח היגרוסקופי ובזיווג זאת עם ניהול חום חכם, הם יצרו מערכת שיכולה למשוך יותר מים מהאוויר תוך הוצאת אנרגיה פחותה יותר לכך. מכיוון שהיא פועלת בטמפרטורות נמוכות ובתנאי מזג אוויר מגוונים, גישה זו עשויה להוביל למכשירים סולאריים זולים שיספקו מי שתייה באזורים יבשים, מרוחקים או נתונים ללחצים אקלימיים. העבודה מספקת מתווה לאופן שבו שילוב של חומרים עם חוזקות משלימות יכול להפוך אור שמש ואוויר לחים למקור אמין של מים מתוקים.

ציטוט: Shao, Z., Feng, X., Poredoš, P. et al. Synergistic MOF-based composite enabling significant solar-to-water generation enhancement in climate-resilient AWH. Nat Commun 17, 2097 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68946-8

מילות מפתח: קצירת מים מהאוויר, התפלת שמש, מסגרות מתכת-אורגניות, מלחים היגרוסקופיים, אספקת מים מחוץ לרשת