חקר ניסויי ומספרי של ביצועי מזקל שמש בעל שיפוע יחיד משודרג בחומרים סופגים נקבוביים: הערכות תרמיות, כלכליות וסביבתיות

להפוך את אור השמש למי שתייה

בעבור מיליוני אנשים החיים באזורים יבשים ושמשיים, מים מלוחים או מליחים עשויים להיות בשפע בעוד שמי שתייה בטוחים נדירים. מכשיר פשוט אחד, המזקל השמשי, יכול להפוך אור שמש למים מתוקים באמצעות אגן רדוד, כיסוי שקוף ומחזור הטבעי של אידוי ועמעום. מחקר זה בוחן כיצד הוספת חומרים נקבוביים יומיומיים כגון ספוג מטבח או אבן חרוטית יכולה לגרום למכשירים אלו בעלי טכנולוֹגיה נמוכה לייצר יותר מים, בעלות נמוכה יותר, ובמקביל להפחית פליטות המחממות את האקלים.

קופסה פשוטה המדמה את מעגל המים

מזקל שמש בעל שיפוע יחיד הוא למעשה חממה קטנה המונחת על צידה. מים מלוחים שוכבים באגן כהה תחת כיסוי זכוכית משופע. אור השמש עובר דרך הזכוכית, מחמם את המים וגורם להם להתאוורר. האוויר הלח עולה, נוגע בזכוכית הקרה ומתעבה לטיפות שזורמות לתעלת איסוף כמים מזוקקים ושתים. העיצובים המסורתיים זולים ועמידים אך סובלים מתפוקה נמוכה: גם ביום בוהק הם בדרך כלל מייצרים פחות מליטר למטר מרובע, מה שמגביל את השימושיות שלהם למשפחות או לכפרים הזקוקים לאספקה מהימנה.

הוספת ספוגים ואבנים להגברת התפוקה

החוקרים בדקו שלוש גרסאות של המזקל הבסיסי הזה באקלים החם והיבש של קרבלא, עיראק: יחידה מסורתית עם אגן חשוף; גרסה שבה האגן הומלא באבן פומיס, סלע נקבובי קל משקל; ואחרת מלאה בספוג מלמין, קצף קל מאוד ונקבובי המשמש לניקוי. חומרים אלה סופגים מים ומציגים אותם לאוויר דרך אינספור נקבוביות זעירות. הדבר מגדיל במידה רבה את השטח בו יכול להתרחש האידוי, ובו בזמן משנה כיצד החום נשמר ומשתחרר בתוך המכשיר.

ניסויים בשטח ובדיקות ממוחשבות

כל שלושת המזקלים הופעלו זה לצד זה תחת אור שמש טבעי, תוך שימוש במי בריכות רדודים מליחים הדומים לאלה שנמצאים בארות כפריות. הצוות מדד בקפידה את טמפרטורות המים, האידוי והזכוכית, וכן את כמות המים המזוקקים שיוצרה בכל שעה. במקביל הם בנו מודל ממוחשב מפורט של זרימת חום ונוזל בתוך המזקלים באמצעות תוכנת סימולציה הנדסית. הטמפרטורות והתפוקות המדומות התאימו לניסויים באופן קרוב—בתוך כ־2.4 אחוזים—מה שנתן ביטחון שהמודל תפס את הפיזיקה המרכזית וניתן להשתמש בו לחקר ביצועים בתנאים אחרים.

יותר מים, פחות עלות ואוויר נקי יותר

החומרים הנקבוביים הראו הבדל ברור. המזקל עם ספוג המלמין ייצר כ־1.35 ליטר מים מתוקים ביום—תוספת של 56.9 אחוזים ביחס ליחידה המסורתית—בעוד שגרסת הפומיס הגדילה את התפוקה בכ־22.9 אחוזים. טמפרטורות המים והאידוי הגבוהות יותר בתוך המזקלים המתוקנים תורגמו לאידוי מרובה ולעמעום מהיר יותר על הזכוכית, וספוג המלמין עם נקבוביות Extremely גבוהה (יותר מ־99 אחוזי חלל ריק) הוכח כיעיל במיוחד. היעילות התרמית, מדד לכמה מאור השמש הנכנס מומש כהתאדות, עלתה מכ־31.5 אחוז במזקל המסורתי ל־38.2 אחוז עם פומיס ול־49.3 אחוז עם ספוג.

התבוננות בכסף, באנרגיה ובסביבה

מכיוון שמערכות אלה מיועדות לקהילות בעלי הכנסה נמוכה ולשימוש מחוץ לרשת, הצוות בדק לא רק את הפיזיקה אלא גם את הכלכלה וההשפעה הסביבתית. גם לאחר שקלול רכישה, תחזוקה וערך גרוטאות עתידי, מזקל הספוג המלמין סיפק את עלות המים הנמוכה ביותר—כ־0.076 דולר אמריקאי לליטר—ירידה של כ־35 אחוזים בהשוואה לעיצוב המסורתי. תקופת ההחזר הכלכלי שלו—כמה זמן חיסכון בייצור מים מכסה את ההשקעה הראשונית—עמדה על כשנתיים וחצי, קצרה יותר גם מהאגן החשוף וגם מהגרסה המלאה בפומיס. מנקודת מבט אנרגטית, המזקלים החזירו את האנרגיה שהושקעה בייצורם הרבה פחות משנה, אם כי איכותו של האנרגיה (יכולתה לבצע עבודה שימושית) נשארה מוגבלת, מה שמשקף חסרון יסודי של חימום בטמפרטורות נמוכות. מבחינה סביבתית, החלפת התפלת חשמלית או שאיבה מונעת חשמל במזקלים מופעלי שמש אלו יכולה להפחית בערך 1.6 טון מטרי של פחמן דו־חמצני בשנה עבור כל יחידת ספוג מלמין.

מה זה אומר לאזורים צמאים ושמשיים

במילים פשוטות, מילוי אגן מזקל שמש פשוט בספוג נקבובי זול הופך אותו ליצרן מים פרודוקטיבי וכדאי הרבה יותר. למרות שהתהליך עדיין מתאים בעיקר לשימוש בקנה מידה קטן—בתי אב, חוות או אתרים מרוחקים—הוא מציע דרך מבטיחה ודלה בתחזוקה להפוך שמש קשוחה ומים שוליים לזרם קבוע של מי שתייה בטוחים. המחקר מראה ששימוש מושכל בחומרים נפוצים יכול כמעט לחצי את העלות לליטר, להאיץ החזר השקעה ולהפחית זיהום אקלים, מה שהופך את המזקלים הסולאריים לכלי פרקטי יותר במאבק במחסור במים.

ציטוט: Majeed, S.H., Rashid, F.L., Azziz, H.N. et al. Experimental and numerical investigation of single-slope solar still performance enhanced by porous absorbing materials: thermal, economic, and environmental assessments. Sci Rep 16, 8487 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41901-9

מילות מפתח: התפלת מים סולארית, מזקל שמש, חומרים נקבוביים, ספוג מלמין, מים מחוץ לרשת