ניתוח ביצועים של מערכת התפלת מים סולארית המופעלת בטכניקת הלחה–התלהטות

הפיכת אור שמש למי שתייה

מים נקיים נעשים קשים להשגה באזורים צחיחים רבים, כולל במצרים, שבהן ערים ואתרי נופש חדשים לחופי הים זקוקים בדחיפות למים מתוקים אך סובלים ממחסור בנהרות ובמשקעים. מחקר זה בוחן מכשיר קטן המונע על ידי אנרגיית שמש שיכול להפוך מי ים מלוחים למים ראויים לשתייה באמצעות חימום מתון במקום רתיחה אינטנסיבית. על ידי מדידה מדוקדקת של התנהגות המערכת בתנאי חוץ אמיתיים, החוקרים מראים כיצד להפיק יותר מים מתוקים מאותה כמות קרינת שמש תוך שמירה על עלויות וזיהום נמוכים.

מדוע סוג התפלה זה חשוב

תחנות התפלה גדולות כבר מספקות מים לערי חוף רבות, אך הן דורשות משאבות לחץ גבוה, מסננים מורכבים וכמות חשמל רבה. זה הופך אותן ליקרות וקשות להתקנה בכפרים מרוחקים או בקהילות קטנות. המערכת שנבחנה כאן משתמשת ברעיון שונה הנקרא הלחה–התלהטות: במקום לדחוף מי ים דרך ממברנות דקות, היא מחקה את מעגל המים הטבעי. מי ים חמים מתאדים לאוויר ומשאירים את המלחים מאחור, ואז האוויר הלח מתקרר כדי שהמים הטהורים יתעבו ויוכלו להיאסף. מאחר שהטמפרטורות נשארות מתחת לרתיחה והחום הראשי מגיע מהשמש, הגישה יכולה להיות פשוטה יותר, שקטה ונקייה יותר ביחס למפעלים קונבנציונליים.

כיצד המערכת הנסיינית פועלת

הצוות בנה מתקן ניסיוני על גג בקהיר והזין אותו במי תעלת סואץ אמיתיים, המלוחים יותר מהממוצע הגלובלי של הים. אור שמש מחמם קודם כל את מי הים במאסף סולארי בנוצת ואקום, ומעלה את טמפרטורתם לרמות דומות או גבוהות יותר מטמפרטורת אמבטיה. מי הסול הטרם מתחמם נשפרת אז על גבי חומר מילוי פלסטי בתוך קופסה גבוהה הנקראת המלהה. בעוד הם מטפטפים למטה, מאוורר דוחף אוויר מעלה דרך המשטחים הרטובים, סופג אדי מים והופך לאוויר חמים ולח. אוויר זה עובר לאחר מכן דרך תעלות מבודדות לתוך קופסה שנייה, המממצת, שבה הוא עובר על פני סלילי מתכת קרים המסופקים במי עיר קרירים. האדי מתעבים על הסלילים וטפטפים לתוך אגן כמياه מזוקקת המוכנה לאחסון ושימוש מאוחר יותר.

מה המדדו החוקרים

מן השעה תשע בבוקר ועד חמש אחר הצהריים, לאורך 36 ימי ניסוי נפרדים בפברואר ומרץ, החוקרים שינו שני כפתורים עיקריים: מהירות זרימת מי הים ומהירות מחזור האוויר. הם עקבו אחרי קרינת שמש, טמפרטורות, לחות האוויר וכמות המים הטריים שהופקו בכל שעה. כצפוי, ההפקה עלתה במהלך הבוקר, שיא בטרם הצהריים כשהשמש חזקה, ואז ירדה בשעות אחר הצהריים המאוחרות. מהירויות אוויר גבוהות יותר נשאו יותר אדים מהמלהה אל המממצת, וזרימת מי ים גבוהה יותר סיפקה יותר מים חמים לאידוי. בתנאים הטובים ביותר שנבדקו — זרימת מי ים של 0.63 קילוגרם לשנייה ומהירות אוויר של 13.2 מטר לשנייה — התפוקה היומית הגיעה ל‑17.04 קילוגרם מים מזוקקים, כלומר בקירוב 17 ליטרים, בחלון תפעולי של שמונה שעות.

איזון בין תפוקה, יעילות ועלות

מעבר לתפוקה פשוטה, הצוות בחן עד כמה המערכת מנצלת ביעילות את החום הסולארי הנכנס. הם השתמשו במידה הנקראת יחס תפוקת-רכישה (gain output ratio), המשווה בין האנרגיה האצורה במי הטריים שנוצרו לבין האנרגיה התרמית שנסופקה. יחס זה, יחד עם יחס החלמה המשווה בין המים הטריים שיוצרו למי הים שהוזנו, הגיעו לשיא כאשר זרימת מי הים ומהירות האוויר היו גבוהות אך מאוזנות: שילוב מסוים נתן את האיזון הטוב ביותר בין אידוי חזק לעיבוי אפקטיבי. בתנאים הטובים ביותר אלה יחס התפוקה הכולל הגיע ל‑1.22, מה שמעיד כי שימור חום פנימי במערכת סייע למיחזור אנרגיה. ניתוח כלכלי, בהתבסס על חיים משוערים של עשר שנים ותנאים פיננסיים מקומיים, הראה כי כל ליטר מים מזוקקים יעלה כ‑1.7 סנט אמריקאי, בהנחה של 340 ימי שמש בשנה. מאחר שהחום מגיע מהשמש ולא מדלקים מאובנים, המחברים מעריכים שכמעט שישה טון פליטת פחמן דו‑חמצני נמנעים לאורך חיי המערכת.

מה המשמעות לאזורים צמאים

במלים פשוטות, עבודה זו מראה שמכשיר סולארי צנוע בגודל גג יכול באופן אמין להפוך מי תעלת מלוחים למים נקיים בעלות נמוכה וללא הוספת גזי חממה. על ידי כוונון מהירויות זרימת האוויר והמים, החוקרים זיהו תנאי הפעלה הממקסמים תפוקה ויעילות אנרגטית תחת מזג האוויר האמיתי של קהיר. אמנם הנפח היומי קטן מדי כדי לספק עיר גדולה, אך הוא מתאים היטב לצרכיהם של בתים מבודדים, חוות או מחנות תיירות לאורך חופי מצרים. המחקר מספק נתונים מעשיים שבהם מהנדסים ומתכננים יכולים להשתמש כדי לעצב יחידות התפלה קטנות בדור הבא שיהיו זולות, דורשות תחזוקה מועטה ומונעות בעיקר על ידי שמש.

ציטוט: Gomaa, A., Hassaneen, A.E., Ibrahim, H. et al. Performance analysis of a solar desalination system operated by humidification–dehumidification technique. Sci Rep 16, 9805 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40700-6

מילות מפתח: התפלת מים סולארית, הלחה והתלהטות, טיפול מים בקנה מידה קטן, אנרגיה מתחדשת, משאבי מים במצרים