בידוד תרמי עם חומר שינוי פאזה בטמפרטורה בינונית לשיפור ביצועי מזקקת שמש בתנאי חום מצריים

הפיכת אור השמש למים מותאמים לשתייה

העולם סובל ממחסור במים נקיים בדיוק כאשר אזורים רבים ושטופי שמש, מצפון אפריקה ועד המזרח התיכון, מלאים באנרגיה סולארית לא מנוצלת. המחקר חוקר כיצד להמיר את אור השמש השופע הזה למים מותאמים לשתייה ביעילות גבוהה יותר באמצעות "מזקקות שמש" פשוטות בגודל גג. באמצעות הוספת חומרים מיוחדים לאחסון חום ובגרסה מתקדמת יותר בציר חימום למי שימוש ביתי, המחברים מראים כיצד מכשיר נמוך‑טכנולוגיה יכול לייצר הרבה יותר מים מתוקים ממקורות מלוחים או מליחים תוך הורדת עלויות והשפעה על האקלים.

מדוע מים נקיים מהשמש חשובים

מיליארדי אנשים חסרים גישה מאובטחת למי שתייה, ומתקני התפלה קונבנציונליים יקרים, צורכי אנרגיה גבוהים ולעתים קשורים לדלקים פוסיליים. מזקקות שמש מציעות אלטרנטיבה עדינה יותר: ממלאים מאגר כהה במים מלוחים, מכסים אותו במכסה שקוף ומאפשרים לשמש להניע את ההתאדות. האדים מתעבים על החלק התחתון של המכסה ונוטפים לתעלה איסוף כמים מתוקים. המכשירים פשוטים וחזקים, אך מגרעת משמעותית עמדת בדרכם: בתנאי חוץ אמיתיים, מזקקת שמש סטנדרטית מייצרת בדרך כלל רק כמה ליטרים למטר מרובע ליום, והיא מפסיקה לעבוד זמן קצר לאחר השקיעה.

לאחסן חום יום ליום עבודה בלילה

כדי להאריך את שעות הפעולה של מזקקת שמש פנו החוקרים לחומרי שינוי פאזה (PCM). חומרים אלה סופגים כמויות גדולות של חום בעת המסתם ומשחררים אותו לאט כשהם מתקשים, בדומה לשקית קירור בהפוך. החוקרים בחרו בחומר PCM מסחרי מבוסס מלח שמתמוסס בטמפרטורה של כ‑48 °C, טמפרטורה שנמצאת לעיתים קרובות בתוך מזקקות שמש בקיץ החם בישראל ומצרים. הם התקינו אריזות PCM מצופות מתכת מתחת למאגר של אחת המזקקות כך שהחומר יטען בחום בזמן שהשמש זורחת ולאחר מכן יחזיר אותו למים אחרי שקיעה, וישמר את ההתאדות לפעולה ארוכה יותר בערב.

ניסוי שלוש דרכים ליותר מים מתוקים

בחוץ בעיר עשרת הרמדאן במצרים, הצוות הפעיל שלוש מזקקות כמעט זהות זו לצד זו: עיצוב בסיסי, גרסה עם PCM מתחת למאגר, ועיצוב היברידי ששילב PCM עם ציר מים חמים ביתי ומחלפי חום. הם שינו בצורה שיטתית את כמות ה‑PCM והקפידו לרשום קרינת שמש, טמפרטורות ונפח המים המזוקקים. במזקקה רק עם PCM נמצא נקודת איזון במסת PCM של 2.5 קילוגרם. בעומס זה, המאגר שמר על טמפרטורה גבוהה ב‑6–10 °C בהשוואה ליחידה הקונבנציונלית ברוב שעות היום, במיוחד בשעות אחר הצהריים המאוחרות והלילה המוקדם, והמזקקה ייצרה כ‑2.48 ליטרים של מים מתוקים למטר מרובע ליום — כ‑74 אחוז יותר מהמזקקה הבסיסית.

מעליית יעילות לתועלות עלותיות ואקלימיות

המאגר החם והתקופה הארוכה יותר של התאדות תורגמו לשימוש טוב יותר באנרגיה הסולארית הנכנסת. המזקקה המוטבת בעזרת PCM הגיעה ליעילות אנרגטית של כמעט 25 אחוז וליעילות אקסרגטית (או "עבודה שימושית") של כ‑7 אחוז, שניהם גבוהים במידה ניכרת מרבים מהעיצובים הקודמים. מאחר שהחום הנוסף נבע מאור שמש מאוחסן ולא מדלק או חשמל נוספים, עלות כל ליטר מים ירדה בפועל למרות החומר הנוסף. לפי ההנחות במחקר, המחיר לליטר ירד מכ‑0.068 דולר (כ‑6.8 סנט) במזקקה הבסיסית לכ‑0.031 דולר (כ‑3.1 סנט) בגרסה המשודרגת עם PCM. על פני עשר שנות חיים, העיצוב המשופר יכול גם למנוע יותר מ‑40 טון פחמן דו‑חמצני לעומת חלופה מבוססת דלק פוסילי בעלת תפוקה דומה.

להמשיך קדימה עם ציר מים חמים היברידי

המערכת ההיברידית נקטה צעד נוסף על‑ידי סירקולציה של מי שימוש ביתי חמים דרך מחלפי חום בתוך המזקקה, מעל שכבת ה‑PCM. מקור חום זה שמר על המאגר חם עוד יותר בשעות המאוחרות של היום ואפשר שימוש יעיל במסת PCM מעט גדולה יותר (כ‑3 קילוגרם). במקרה הטוב, ייצור המים המתוקים קפץ ביותר מ‑50 אחוז בהשוואה ל‑PCM בלבד וכמעט הוכפל לעומת המזקקה הקונבנציונלית. עם זאת, תוספת זו מגדילה את המורכבות ואת העלות ההתחלתית, והכלכלה תלויה במידה רבה באופן שבו מי החמים מיוצרים בהקשרים בשטח.

מה המשמעות לאזורים צמאים ושטופי שמש

לקהילות באקלים חם ושמשי עם תשתיות מוגבלות, המחקר מראה שחומרים לאחסון חום הנבחרים בקפידה יכולים להפוך מזקקת שמש צנועה למקור מים מתוקים רב‑עוצמה יותר. עיצוב פשוט יחסית המשולב ב‑PCM, המשתמש בחומר טמפרטורה בינונית שכבר זמין מסחרית, יכול לספק הרבה יותר מים מדי יום בעלות נמוכה יותר ועם הפחתות משמעותיות בפליטות גזי חממה. למרות שהניסויים כיסו רק תקופת קיץ קצרה ונדרשים ניסויים ארוכי‑טווח בעונות ובמיקומים שונים, התוצאות מצביעות על אפשרויות מעשיות וניתנות להרחבה של התפלה מונעת שמש שיכולות להקל על לחץ המים במצרים ובאזורים דומים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: התפלת מים בסולארי, מזקקת שמש, חומר שינוי פאזה, אחסון אנרגיה תרמית, מים נקיים