تصف الدراسة نظامًا جديدًا محمولًا لتجميع المياه بالطاقة الشمسية باستخدام تقنية الأوريغامي البوليمرية، والذي يمكنه جمع المياه وتنقيتها بتكلفة منخفضة للغاية.
يتزايد الطلب العالمي على المياه النظيفة نتيجةً للنمو السكاني والتصنيع وتلوث موارد كوكبنا الطبيعية واستنزافها . يُعدّ التبخير الشمسي تقنيةً تُستخدم فيها الطاقة الشمسية لتنقية المياه عن طريق تبخير المياه الملوثة، ثم إعادة تكثيفها لإنتاج مياه نظيفة . تُعتبر هذه التقنية تقنيةً خضراء نظيفة ومتجددة ومستدامة، ولديها القدرة على معالجة ندرة المياه النظيفة عالميًا من خلال الاستفادة من وفرة الطاقة الشمسية . تعتمد قوة وكفاءة نظام التبخير الشمسي على تصميمه واختيار المواد الكهروضوئية الحرارية. تستخدم تقنيات التبخير الشمسي الحالية مواد باهظة الثمن وكبيرة الحجم، وتتميز بكفاءة منخفضة وإنتاج محدود. ولا يزال تحسين الأداء وخفض التكاليف من أجل تصميم نظام تبخير شمسي خفيف الوزن وقابل للنقل، يمكن استخدامه مباشرةً من قِبل الأفراد، يُمثل تحديًا .
في دراسة جديدة نُشرت في 28 مايو/أيار في مجلة "المواد المتقدمة" ، وصف الباحثون طريقة مبتكرة للتبخير الشمسي ، وذلك بتصميم نظام تجميع بخار شمسي محمول ومنخفض التكلفة، يعمل بضغط منخفض، ويستطيع جمع المياه وتنقيتها باستخدام طاقة ضوء الشمس. وقد اختاروا مادة بوليمرية كهروحرارية تُسمى البوليبيرول (PPy)، وهي مادة موصلة للكهرباء، معروفة بخصائصها الكهروحرارية وكفاءتها العالية في تحويل ضوء الشمس إلى حرارة. استُلهم التصميم الفريد لهذا النظام من زهرة الورد، وهو مصنوع من مركبات ورقية ثلاثية الأبعاد من البوليبيرول بتقنية الأوريغامي. وقد تم ابتكار "وردة من البوليبيرول" تتكون من طبقات من صفائح سوداء على شكل بتلات، وذلك من خلال طي البوليبيرول بتقنية الأوريغامي والبلمرة الكيميائية. ويرتبط هذا الهيكل المصنوع بتقنية الأوريغامي بأنبوب قطني مشبع بالقطن، يقوم بتجميع المياه الخام/غير المعالجة من مصدر مائي، ثم يغذي بها هيكل الوردة الموجود في الأعلى. وقد استُخدم الأنبوب القطني المشبع بالقطن ورغوة البوليسترين لمنع التلامس المباشر بين مادة البوليبيرول والماء.
بمجرد وصول الماء غير المعالج إلى بتلات الزهرة، تقوم مادة البولي بيرول (PPy) الموجودة في بنيتها بتحويل الماء إلى بخار، وتنفصل الشوائب عنه بشكل طبيعي. بعد ذلك، يُكثّف بخار الماء، ثم يُجمع الماء النظيف لاستخدامه. استخدم الباحثون ضغطًا منخفضًا باستخدام مضخة تفريغ محمولة، وقد لوحظ أن ذلك يُحسّن بشكل ملحوظ معدلات تبخر الماء وجمعه. بعد تكثيف الماء، يُحفظ الماء النظيف بأمان في وعاء زجاجي متين وصغير الحجم.
أظهرت تقنية الأوريغامي ثلاثية الأبعاد امتصاصًا أعلى بكثير للضوء ومساحة سطح أكبر لتبخير الماء مقارنةً بالتصميم ثنائي الأبعاد التقليدي. وقد تحسّن معدل تبخر الماء وجمعه بنسبة 52% نتيجةً لانخفاض ضغط الحجرة. كما حسّنت تقنية الأوريغامي المصنوعة من البولي بيرول (PPy) تبخر الماء بنسبة 71%، ولوحظت أيضًا معدلات أعلى لجمع البخار. وارتفعت الكفاءة الإجمالية للنظام بنسبة 91.5% تحت مصدر ضوئي واحد. تم اختبار النظام على عينة من نهر كولورادو في تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية. وقد أزال النظام تلوث الماء على شكل معادن ثقيلة وبكتيريا وأملاح، وخفّض القلوية، مما أنتج مياه شرب نظيفة مطابقة لمعايير منظمة الصحة العالمية.
تصف الدراسة الحالية تصميمًا عقلانيًا جديدًا لنظام تجميع البخار بالطاقة الشمسية المحمول منخفض التكلفة مع مواد ثلاثية الأبعاد للأوريغامي الحرارية الضوئية التي توفر معدلات محسّنة لتبخر المياه وتجميع البخار. تكلفة كل هيكل يشبه الزهرة أقل من 3 سنت ويمكنه أن ينتج بنجاح 2 لتر من المياه النظيفة لكل ساعة لكل متر مربع. يمكن أن يكون هذا التصميم مصدر إلهام لتصنيع نماذج فريدة من التبخير بالطاقة الشمسية لإنتاج المياه النظيفة.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
لي ، دبليو وآخرون. 2019. تبخير بالطاقة الشمسية منخفض الضغط ‐ تجميع Unisystem مع Polypyrrole Origamis. مواد متطورة. http://doi.org/10.1002/adma.201900720
