مولد الماء الجوي

مولد إشارات متطور للاستخدام المنزلي.

مولد الماء الجوي ( AWG ) هو جهاز يستخلص الماء من الهواء المحيط الرطب ، منتجًا مياهًا صالحة للشرب . يمكن استخلاص بخار الماء من الهواء إما عن طريق التكثيف - تبريد الهواء إلى ما دون نقطة الندى ، أو تعريض الهواء لمواد مجففة ، أو استخدام أغشية تسمح بمرور بخار الماء فقط، أو تجميع الضباب، [ 1 ] أو ضغط الهواء. تُعد مولدات الماء الجوي مفيدة في المناطق التي يصعب فيها الحصول على مياه صالحة للشرب، لأن الماء موجود دائمًا في الهواء المحيط. في المناطق الحضرية المكتظة، يمكن دمج نفس تقنية الشبكة مباشرة في الواجهات والأسقف بحيث يقوم غلاف المبنى نفسه بتجميع الضباب؛ تُسمى الأنظمة التي تستخدم هذا النهج بجامعات الضباب المدمجة في المباني . [ 2 ]

قد تتطلب مولدات المياه الجوفية مدخلات طاقة كبيرة، أو قد تعمل بشكل سلبي، معتمدةً على فروق درجات الحرارة الطبيعية. وقد وجدت دراسات المحاكاة الحيوية أن خنفساء أونيمكريس أنجويكولاريس لديها القدرة على أداء هذه المهمة. [ 3 ]

أشارت إحدى الدراسات إلى أن مولدات المياه الجوفية يمكن أن تساعد في توفير مياه الشرب لمليار شخص. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

تاريخ

"أترابانييبلاس" أو تجمع الضباب في ألتو باتاشي ، صحراء أتاكاما ، تشيلي .

استطاع الإنكا الحفاظ على حضارتهم فوق خط المطر من خلال جمع الندى وتوجيهه إلى خزانات المياه . [ 7 ] وتشير السجلات إلى أنهم استخدموا حواجز ضبابية لجمع المياه . كانت هذه الأساليب التقليدية سلبية، إذ لم تستخدم أي مصدر طاقة خارجي، واعتمدت على التغيرات الطبيعية في درجات الحرارة.

كان هناك جهاز نجاة طارئ يتمثل في كوب أرمبرست الذي يحول التكثيف الناتج عن التنفس إلى ماء للشرب، وذلك لاستخدامه في عمليات الهبوط الاضطراري في البحر. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

في عام 2022، تعاقد الجيش الأمريكي والبحرية الأمريكية مع شركة Terralab والوكالة الفيدرالية لإدارة الطوارئ (FEMA) للحصول على تقنية الاستخراج القائمة على المحلول الملحي . [ 11 ]

يهدف برنامج استخلاص المياه من الغلاف الجوي التابع لوكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) إلى تطوير جهاز قادر على توفير المياه لـ 150 جنديًا ويمكن حمله بواسطة أربعة أشخاص. في فبراير 2021، مُنحت شركة جنرال إلكتريك 14 مليون دولار لمواصلة تطوير جهازها. [ 12 ]

في عام 2022، تم عرض مُجفف مصنوع من السليلوز / صمغ الكونجاك ، ينتج 13 لترًا/كجم/يوم (1.56 جالون أمريكي/رطل/يوم) من الماء عند رطوبة نسبية 30%، و6 لترات/كجم/يوم (0.72 جالون أمريكي/رطل/يوم) عند رطوبة نسبية 15%. يُطلق المُجفف الماء عند تسخينه إلى 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت) . [ 13 ] [ 11 ]  

في عام 2024، أعلن باحثون عن جهاز يستخدم زعانف عمودية متباعدة بمسافة 2 مم (0.08 بوصة). الزعانف عبارة عن صفائح نحاسية مغلفة برغوة نحاسية مطلية بالزيوليت . يُطلق الماء عند تسخين الصفائح النحاسية إلى 184 درجة مئوية (363 درجة فهرنهايت). تتشبع الزعانف بالهواء بنسبة رطوبة 30% مرة واحدة في الساعة. عند تسخينها كل ساعة، يمكن للجهاز إنتاج 5.8 لتر (1.5 جالون) يوميًا لكل كيلوغرام (2.2 رطل) من المادة. [ 7 ] [ 12 ]

التقنيات

تُعدّ أنظمة التبريد الأكثر شيوعًا، بينما تُظهر الأنظمة المسترطبة نتائج واعدة. وتجمع الأنظمة الهجينة بين الامتزاز والتبريد والتكثيف. [ 14 ] [ 15 ] وتُعدّ آبار الهواء طريقة أخرى لجمع الرطوبة بشكل سلبي.

تكثف التبريد

مثال على عملية التبريد والتكثيف.

تُعدّ أنظمة التكثيف الطريقة الأكثر شيوعًا. فهي تستخدم ضاغطًا لتدوير غاز التبريد عبر مكثف وملف تبخير لتبريد الهواء المحيط. وعندما يصل الهواء إلى نقطة التكثف ، يتكثف الماء في المُجمِّع. ثم تدفع مروحة الهواء المُرشَّح فوق الملف. ويعمل نظام التنقية/الترشيح على إزالة الملوثات وتقليل المخاطر التي تُشكّلها الكائنات الدقيقة الموجودة في الهواء المحيط. [ 16 ]

يعتمد معدل إنتاج الماء على درجة الحرارة المحيطة والرطوبة وحجم الهواء المار فوق الملف وقدرة التبريد للجهاز. تزداد فعالية مولدات الماء الهوائي مع ارتفاع الرطوبة النسبية ودرجة حرارة الهواء. وكقاعدة عامة، لا تعمل مولدات الماء الهوائي للتبريد بالتكثيف بكفاءة عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة عن 18 درجة مئوية (65 درجة فهرنهايت) أو تنخفض الرطوبة النسبية عن 30%.  

يُوفر تأثير بلتييه في المواد شبه الموصلة نظام تكثيف بديلًا، حيث يسخن أحد جانبي المادة بينما يبرد الجانب الآخر. في هذه الطريقة، يُمرر الهواء فوق زعانف التبريد على الجانب البارد، مما يُخفض درجة حرارته. تُعد أشباه الموصلات الصلبة ملائمة للأجهزة المحمولة، ولكن يقابل ذلك انخفاض في الكفاءة وارتفاع في استهلاك الطاقة.

يمكن تحسين إنتاج الطاقة في ظروف الرطوبة المنخفضة باستخدام مبرد تبخيري مزود بمياه مالحة لزيادة الرطوبة. وتُعدّ البيوت الزجاجية حالة خاصة لأن الهواء الداخلي فيها يكون أكثر سخونة ورطوبة. ومن الأمثلة على ذلك البيت الزجاجي الذي يعمل بمياه البحر في عُمان ، وبيت IBTS الزجاجي .

تُنتج مكيفات الهواء المُزيلة للرطوبة مياهًا غير صالحة للشرب. يقوم ملف المبخر البارد نسبيًا (أقل من نقطة الندى) بتكثيف بخار الماء من الهواء المُعالَج.

عند تشغيلها بالكهرباء المولدة من الفحم، يكون لها أحد أسوأ البصمات الكربونية بين جميع مصادر المياه (تتجاوز تحلية مياه البحر بالتناضح العكسي بثلاثة أضعاف )، وتتطلب أكثر من أربعة أضعاف كمية المياه التي توفرها للمستخدم في سلسلة التوريد. [ 17 ]

خاصية امتصاص الرطوبة

تعتمد تقنيات امتصاص الرطوبة على سحب الماء من الهواء عن طريق الامتصاص أو الامتزاز ، مما يؤدي إلى تجفيفه. قد تكون مواد التجفيف سائلة (رطبة) أو صلبة. وتحتاج هذه المواد إلى التجديد (عادةً حراريًا) لاستعادة الماء.

تُعدّ الطريقة الأكثر كفاءة واستدامة هي استخدام ثلاجة امتصاص تعمل بالطاقة الشمسية الحرارية ، والتي تتفوق على الأنظمة التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية . [ 18 ] يمكن لهذه الأنظمة استخدام الحرارة المهدرة، على سبيل المثال للضخ أو للتشغيل الليلي، عندما تميل الرطوبة إلى الارتفاع.

في عام 2024، أظهرت تقنية حصاد المياه الجوية القائمة على المواد الماصة (SAWH) باستخدام طبقة امتصاص ذات مصفوفة زعانف تعمل بالطاقة الحرارية المهدرة عالية الكثافة، إنتاجية بلغت 5.8 لتر لكل كيلوغرام من المادة الماصة يوميًا عند رطوبة نسبية 30%، وذلك باستخدام طبقة امتصاص سعتها 1 لتر ومواد ماصة تجارية. [ 19 ]

مواد مجففة رطبة

تشمل أمثلة المواد المجففة السائلة كلوريد الليثيوم ، وبروميد الليثيوم ، [ 20 ] وكلوريد الكالسيوم ، وكلوريد المغنيسيوم ، وفورمات البوتاسيوم ، وثلاثي إيثيلين جليكول ، و [ EMIM ] [ OAc ] . [ 21 ]

يمكن استخدام المحلول الملحي المركز كمجفف. يمتص المحلول الماء، الذي يُستخلص ويُنقى بعد ذلك. تنتج بعض الأنظمة 5 جالونات من الماء لكل جالون من الوقود. [ 22 ] يمتص المحلول الملحي المركز، الذي يُضخ على السطح الخارجي للأبراج، بخار الماء. ثم يدخل المحلول إلى حجرة تحت فراغ جزئي ويُسخن، مُطلقًا بخار الماء الذي يتكثف ويُجمع. وعندما يُزال الماء المتكثف من النظام بفعل الجاذبية، فإنه يُحدث فراغًا يُخفض درجة غليان المحلول الملحي. ويمكن تشغيل النظام بالطاقة الشمسية السلبية . [ 23 ]

يمكن للهيدروجيلات امتصاص الرطوبة (مثلاً ليلاً في الصحراء) لتبريد الألواح الشمسية [ 24 ] أو إنتاج المياه العذبة. [ 25 ] [ 26 ] ومن تطبيقاتها ري المحاصيل بوضع الهيدروجيل بجوار [ 27 ] [ 28 ] أنظمة الألواح الشمسية المتكاملة أو أسفلها. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

مواد مجففة صلبة

يجفف جل السيليكا والزيوليت الهواء المضغوط. [ 35 ] يستهلك الجهاز الواحد 310 واط-ساعة (1100 كيلوجول) لكل لتر من الماء. ويستخدم إطارًا معدنيًا عضويًا من الزركونيوم على قاعدة نحاسية مسامية، مثبتة على ركيزة من الجرافيت. تسخن الشمس الجرافيت ، مما يؤدي إلى إطلاق الماء، الذي يبرد الجرافيت بدوره. [ 36 ] 

خلايا الوقود

تنتج سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين لترًا واحدًا من المياه الصالحة للشرب لكل 8 أميال (12.87 كيلومترًا) تقطعها عن طريق دمج الهيدروجين مع الأكسجين المحيط. [ 37 ]

لوحة مائية

يمكن توليد المياه الصالحة للشرب بواسطة الألواح الشمسية الكهروضوئية المثبتة على أسطح المنازل باستخدام الطاقة الشمسية والحرارة الشمسية. [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]

الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لحصاد المياه من الغلاف الجوي [ 1 ]

طاقة

ما لم يكن الهواء مشبعًا بالرطوبة، فإن استخلاص الماء من الغلاف الجوي يتطلب طاقة. وتعتمد الطاقة المطلوبة على الرطوبة ودرجة الحرارة، ويمكن حسابها باستخدام طاقة جيبس ​​الحرة .

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 راو، أكشاي ك.؛ فيكس، أندرو ج.؛ يانغ، يون تشي؛ وارسنجر، ديفيد م. (2022). "الحدود الديناميكية الحرارية لحصاد المياه من الغلاف الجوي". الطاقة والعلوم البيئية . 15 (10): 4025-4037 . Bibcode : 2022E & ES...15.4025R . doi : 10.1039/d2ee01071b .
  2. كالداس، لويزا؛ أندالورو، أناليزا؛ كالافيوري، جوزيبي (2018). "حصاد المياه من الضباب باستخدام أغلفة المباني: الجزء الأول" . مجلة المياه والبيئة . 32 (4): 493-499 . Bibcode : 2018WaEnJ..32..493C . doi : 10.1111/wej.12335 .
  3. نورغارد، توماس؛ داكي، ماري (2010). "سلوك التشمّس بالضباب وكفاءة جمع الماء لدى خنافس الظلام في صحراء ناميب" . مجلة فرونتيرز إن زولوجي . 7 (1): 23. doi : 10.1186/1742-9994-7-23 . PMC 2918599. PMID 20637085 .  
  4. ييركا، بوب. "نموذج يشير إلى أن مليار شخص يمكنهم الحصول على مياه شرب آمنة من جهاز حصاد افتراضي" . تيك إكسبلور . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 نوفمبر 2021 .
  5. "يمكن لأجهزة حصاد الطاقة الشمسية إنتاج مياه نظيفة لمليار شخص" . عالم الفيزياء . 13 نوفمبر 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 نوفمبر 2021 .
  6. لورد، جاكسون؛ توماس، آشلي؛ تريت، نيل؛ فوركين، ماثيو؛ بين، روبرت؛ دولاك، بيير؛ بهروزي، سايروس هـ.؛ ماموتوف، تيلك؛ فونغهايزر، جيليا؛ كوبيلانسكي، نيكول؛ واشبورن، شين؛ تروسديل، كلوديا؛ لي، كلير؛ شميلزل، فيليب هـ. (أكتوبر 2021). "الإمكانات العالمية لحصاد مياه الشرب من الهواء باستخدام الطاقة الشمسية" . مجلة نيتشر . 598 (7882): 611-617 . Bibcode : 2021Natur.598..611L . doi : 10.1038/s41586-021-03900- w . PMC 8550973. PMID 34707305 .  
  7. 1 2 "الماء 2" . foresightfordevelopment.org . مؤسسة فورسايت فور ديفيلوبمنت . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 مارس 2022 .
  8. "كأس أرمبرست، لوكهيد سيريوس "تينغميسارتوك"، ليندبيرغ | المتحف الوطني للطيران والفضاء" . airandspace.si.edu .
  9. ماكسيل، ريبيكا. "الطائرات التي تعمل بمحركات الطيران وغيرها من الغرائب" . مجلة سميثسونيان .
  10. ^ "كأس امبروست" . Pioneersofflight.si.edu .
  11. 1 2 توتي، مايكل (24 سبتمبر 2007). "ابتكارات من أجل الحياة: جوائز" . www.wsj.com . تاريخ الاسترجاع: 24 مايو 2022 .
  12. 1 2 تاكر، باتريك (8 فبراير 2021). "الجيش يريد إنتاج الماء من الهواء. إليكم العلم وراء ذلك" . www.defenseone.com . ديفنس ون . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 فبراير 2021 .
  13. إيرفينغ، مايكل (24 مايو 2022). "غشاء هلامي رخيص يسحب دلاء من مياه الشرب يوميًا من الهواء" . نيو أطلس . تم الاسترجاع في 4 يونيو 2022 .
  14. فراونهوفر . فراونهوفر (2014). مؤرشف بتاريخ 12 أكتوبر 2016 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
  15. "الابتكار يصنع موجات، ويستخرج الماء من الهواء" . جامعة سيمون فريزر. 25 أبريل 2016.
  16. أحدث مشاريع ويلي نيلسون: الماء من الهواء . صحيفة أتلانتا جورنال كونستيتيوشن.
  17. بيترز، جريج م.؛ بلاكبيرن، نعومي ج.؛ أرميديون، مايكل (يونيو 2013). "التقييم البيئي لأجهزة تحويل الهواء إلى ماء - التثليث لإدارة عدم اليقين في النطاق". المجلة الدولية لتقييم دورة الحياة . 18 (5): 1149-1157 . Bibcode : 2013IJLCA..18.1149P . doi : 10.1007/s11367-013-0568-2 .
  18. العبيد، محمد؛ هيوز، بن؛ كالوتيت، جون كايزر؛ أوكونور، دومينيك؛ هايز، أندرو (سبتمبر 2017). "مراجعة لتبريد الامتصاص بالطاقة الشمسية باستخدام الأنظمة الحرارية الكهروضوئية". مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة . 76 : 728-742 . Bibcode : 2017RSERv..76..728A . doi : 10.1016/j.rser.2017.03.081 .
  19. لي، شيانغيو؛ الفيل، بشير؛ لي، بوكسوان؛ غرايبر، غوستاف؛ لي، أديلا سي؛ تشونغ، يانغ؛ الشراح، محمد؛ ويلسون، تشاد تي؛ لين، إميلي (12 يوليو 2024). "تصميم جهاز حصاد مياه جوية متعدد الدورات عالي الأداء ومدمج للبيئات القاحلة" . رسائل الطاقة ACS . 9 (7): 3391-3399 . doi : 10.1021/acsenergylett.4c01061 . PMC 11250079. PMID 39022669 .  
  20. شارتراند، سابرا (2001-07-02). "براءات الاختراع؛ استخلص الماء من الهواء، وقِس كمية الماء التي تشربها، وكن رحيمًا بالسمك الذي تصطاده" . صحيفة نيويورك تايمز . تاريخ الاسترجاع: 2022-05-24 .
  21. سو، وي؛ لو، تشيفي؛ شي، شياوهوي؛ تشو، جونمينغ؛ وانغ، فنغ؛ سون، بو؛ تشانغ، شياوسونغ (فبراير 2022). "تجديد المجففات السائلة لأنظمة تكييف الهواء المتقدمة: مراجعة شاملة لمواد التجفيف، والمجددات، والأنظمة، وتقنيات التحسين". الطاقة التطبيقية . 308 118394. Bibcode : 2022ApEn..30818394S . doi : 10.1016/j.apenergy.2021.118394 .
  22. غرينفيلدبويس، نيل (19 أكتوبر 2006). "استخراج المياه من الهواء للإغاثة في حالات الكوارث" . NPR.org . تم الاطلاع عليه في 5 مايو 2022 .
  23. "مياه الشرب من رطوبة الهواء" . ساينس ديلي (بيان صحفي). جمعية فراونهوفر. 8 يونيو 2009.
  24. "الهيدروجيل يساعد في صنع ألواح شمسية ذاتية التبريد" . عالم الفيزياء . ١٢ يونيو ٢٠٢٠. تم الاطلاع عليه بتاريخ ٢٨ أبريل ٢٠٢٢ .
  25. يوهونغ غو؛ و. غوان؛ س. لي؛ هـ. لو؛ و. شي؛ غويهوا يو (2022). " أغشية بوليمرية فائقة الاسترطاب قابلة للتطوير لحصاد مستدام للرطوبة في البيئات القاحلة" . نيتشر كوميونيكيشنز . 13 (1): 2761. Bibcode : 2022NatCo..13.2761G . doi : 10.1038/s41467-022-30505-2 . PMC 9120194. PMID 35589809 .  
  26. شي، يي؛ إيليتش، أوجنين؛ أتووتر، هاري أ.؛ جرير، جوليا ر. (14 مايو 2021). "حصاد المياه العذبة على مدار اليوم باستخدام أغشية هيدروجيلية دقيقة التركيب" . نيتشر كوميونيكيشنز . 12 (1): 2797. Bibcode : 2021NatCo..12.2797S . doi : 10.1038/ s41467-021-23174-0 . PMC 8121874. PMID 33990601 .  
  27. "مزرعة ذكية مكتفية ذاتيًا تزرع النباتات باستخدام المياه المستخرجة من الهواء" . نيو أطلس . 15 أبريل 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 أبريل 2022 .
  28. يانغ، جياشن؛ تشانغ، شوبينغ؛ كو، هاو؛ يو، تشي غن؛ تشانغ، ياوكسين؛ إي، تزي جي؛ تشانغ، يونغ وي؛ تان، سوي تشينغ (أكتوبر 2020). "مركب نحاسي متعطش للرطوبة يحصد رطوبة الهواء لتوفير مياه الشرب والزراعة الحضرية المستقلة". المواد المتقدمة . 32 (39) 2002936. Bibcode : 2020AdM....3202936Y . doi : 10.1002/adma.202002936 . PMID 32743963 . 
  29. "تقوم هذه الألواح الشمسية بسحب بخار الماء لزراعة المحاصيل في الصحراء" . سيل برس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 أبريل 2022 .
  30. رافيسيتي، مونيشا. "تصميم جديد للألواح الشمسية يستخدم الطاقة المهدرة لصنع الماء من الهواء" . سي نت . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 أبريل 2022 .
  31. ^ بودبريجار ، ناديا (2 مارس 2022). "Strom und Wasser aus Sonne und Wüstenluft" [ الكهرباء والماء من الشمس وهواء الصحراء ] . سينيكس | داس Wissensmagazin (في المانيا).
  32. "نظام هجين ينتج الكهرباء ومياه الري في الصحراء" . أطلس جديد . 1 مارس 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 أبريل 2022 .
  33. شانك، إريك (8 مارس 2022). "تحويل الصحراء إلى خضراء: نظام الألواح الشمسية هذا يُنتج الماء (ويزرع الغذاء) من الهواء" . صالون . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 أبريل 2022 .
  34. لي، رين يوان؛ وو، مينغتشون؛ ألييد، سارة؛ تشانغ، تشينلين؛ وانغ، وينبين؛ وانغ، بنغ (16 مارس 2022). "نظام متكامل يعمل بالطاقة الشمسية ينتج الكهرباء باستخدام المياه العذبة والمحاصيل في المناطق القاحلة". تقارير الخلية في العلوم الفيزيائية . 3 (3) 100781. Bibcode : 2022CRPS....300781L . doi : 10.1016/j.xcrp.2022.100781 . hdl : 10754/676557 .
  35. باتيل، براشي. "جهاز يعمل بالطاقة الشمسية يسحب الماء من الهواء الرقيق (والجاف إلى حد ما)" . IEEE . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 أبريل 2017 .
  36. هاميلتون، أنيتا (24 أبريل 2014). "هذه الأداة تصنع جالونات من مياه الشرب من الهواء" . مجلة تايم . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 مايو 2022 .
  37. "سيارة تويوتا ميراي سيدان تعمل بخلايا الوقود موديل 2016" . تم الاطلاع عليها بتاريخ 28 أغسطس 2016 .
  38. "ألواح الطاقة الشمسية الكهرومائية الجديدة المثبتة على أسطح المنازل تجمع مياه الشرب والطاقة في آن واحد" . 29 نوفمبر 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 نوفمبر 2017 .
  39. لابوتين، ألينا؛ تشونغ، يانغ؛ تشانغ، لينان؛ تشاو، لين؛ ليروي، أرني؛ كيم، هيونهو؛ راو، سمير ر.؛ وانغ، إيفلين ن. (20 يناير 2021). "جهاز ثنائي المراحل لحصاد المياه من الغلاف الجوي لإنتاج المياه بالطاقة الشمسية على نطاق واسع" . مجلة جول . 5 (1): 166-182 . Bibcode : 2021Joule...5..166L . doi : 10.1016/j.joule.2020.09.008 .مقال إخباري: "نظام يعمل بالطاقة الشمسية يستخلص مياه الشرب من الهواء الجاف" . معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . تاريخ الاطلاع: 28 أبريل 2022 .
  40. "أنظمة تنقية المياه بالطاقة الشمسية التي تعمل بمياه الأمطار" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أكتوبر 2017 .