ביצועים ניסויים, אנרגית אקסרגיה וניתוח כלכלי של מערכת זיקוק סולארית בצורת צינור אליפטי משולבת בחומר שינוי פאזה משופר בננו

הפיכת אור השמש למי שתייה בטוחים

מיליארדי אנשים גרים באזורים חופיים יבשים שבהם מי הים זמינים בשפע אך מים למאכלים נדירים. מתקני התפלה גדולים עשויים להיות יקרים וצורכי אנרגיה גבוהים, מה שמרחיק אותם מרבים מהקהילות. מחקר זה בוחן מכשיר קטן וזול שמשתמש אך ורק באור השמש כדי להפוך מים מלוחים למים מתוקים באופן יעיל וזול יותר מהעיצובים הנפוצים כיום.

צורה חדשה למוצרי מים סולאריים

זיקוקים סולאריים מסורתיים הם בדרך כלל תיבות פשוטות עם מכסה זכוכית שבהן המים המלוחים מתאדים תחת השמש ואז מתעבים כמים טריים. החוקרים עיצבו צורה שונה: צינור שקוף אליפטי השוכב באופק. בתוך הצינור יש תבנית מתכתית שחורה ורדודה שמכילה את המים המלוחים. קרני השמש יכולות להיכנס מכל הכיוונים, לחמם את המים כדי שיתאדו ואז להתעבות על המשטח הפנימי הקר של הצינור האליפטי. הטיפות זולגות ומאוכסנות כמים לשתייה. הזיקוק הצינורי האליפטי (OTSS) הזה מציע משטח התעבות גדול יותר מאשר עיצובים עם גג שטוח, דבר שתורם להגברת התפוקה.

אחסון חום יומי לשימוש לילי

חולשה מרכזית של זיקוקים סולאריים היא שהם מפסיקים לייצר הרבה מים מתוקים לאחר שקיעת השמש. כדי לטפל בזה הוסיפו החוקרים "סוללת חום" נסתרת מתחת לתבנית המים. הם השתמשו בווקן פרפין, חומר נפוץ שמותך בחימום ומתקשה בקירור תוך כדי אחסון ושחרור כמויות משמעותיות של חום. השעווה ממוקמת בתא מתכתי תחתון ישירות מתחת למים. בשעות שמש היא נמסה ואוגרת חום; לאחר השקיעה היא מתקשה באיטיות ומשחררת את החום החסון חזרה למים. ניסויים בקהיר עם עומק מים רדוד (במיוחד בעומק 0.5 ס"מ) הראו שהשעווה שמרה על המים בבסיס חמים בערב, והגדילה הן את הייצור היומיוני והן את הייצור הלילי של מים מתוקים בכ־28 אחוזים לעומת אותו צינור ללא שעווה.

הגברת מעבר החום בעזרת תוספים זעירים

למרות ששעוות פרפין יכולה לאגור הרבה חום, היא אינה מוליכת חום טובה במיוחד. כדי להזיז חום פנימה והחוצה מהשעווה מהר יותר, הצוות ערבב חלקיקים זעירים מאוד של תחמוצת אלומיניום, ויצר מה שהם מכנים שעווה משופרת בננו. ננו־חלקיקים אלה קטנים באלפי מונים מגרגר חול אך מעלים באופן משמעותי את יכולת השעווה להוביל חום. החוקרים בחנו כמה ריכוזי חלקיקים ומצאו שכמות מתונה (0.3 אחוז במשקל) עבדה בצורה הטובה ביותר. בתערובת זו השעווה התחממה והתקררה מהר יותר, מה ששלח יותר חום למים בשעות אחר הצהריים המאוחרות והערב. כתוצאה מכך, הזיקוק ייצר עד 7.26 ליטרים של מים מתוקים לכל מטר רבוע של שטח הבסיס ביום — כ־42 אחוז יותר מהתקן אותו ללא שעווה, וכ־11 אחוז יותר מאשר עם שעווה רגילה בלבד.

מדידת יעילות ועלות

מעבר לספירת ליטרים של מים, המחקר בחן עד כמה ה־OTSS המיר את קרינת השמש הנכנסת לאידוי שימושי וכמה יעלה המים האלה לאורך חיי המכשיר. הצינור האליפטי ללא שעווה המיר כ־43 אחוז מהאנרגיה הסולארית שקיבל לאידוי; הוספת שעווה העלתה זאת לכמעט 61 אחוז, והשעווה המשופרת בננו דחפה זאת ליותר מ־68 אחוז. מדד מפורט יותר המבוסס על איכות האנרגיה, שנקרא יעילות אקסרגיה, השתפר גם הוא בהתמדה עם כל שדרוג. לאחר מכן העריכו המחברים עלויות חומרים ותפעול לתקופת חיים של עשר שנים בתנאים מצריים. אף על פי שהשעווה המתקדמת והננו־חלקיקים מוסיפים הוצאה ראשונית מסוימת, התפוקה הגבוהה יותר הורידה את עלות כל ליטר מים מכ־2.1 סנט לכ־1.63 סנט בדולרים אמריקאיים, כך שמערכת המשודרגת היא גם פרודוקטיבית יותר וגם כלכלית יותר.

מה המשמעות עבור אזורים צמאים

במלים פשוטות, החוקרים מראים כי שילוב מדוד של עיצוב צינורי אליפטי חדש עם חומרים חכמים לאגירת חום יכול לסחוט הרבה יותר מים מתוקים מאותה כמות אור שמש. המכשיר נשאר יחסית פשוט — רק צינור שקוף, תבנית מתכתית רדודה ושכבת שעווה מיוחדת עם חלקיקים זעירים — ועדיין מייצר יותר מים, פועל זמן רב יותר ללילה ומוריד את המחיר לליטר. עבור קהילות מרוחקות ושמשיות שאין להן גישה למתקנים גדולים ועתירי חשמל, זיקוקים כאלה עשויים להציע פתרון מעשי ודל־תחזוקה לאבטחת מי שתייה נקיים באמצעות כלום חוץ מי מי ים ואור שמש.

ציטוט: 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

מילות מפתח: התמלחת מים סולארית, זיקוק סולארי, חומר שינוי פאזה, ננו־חלקיקים, מים נקיים