دستگاه آب‌شیرین‌کن خورشیدی با هزینه کمتر از آب لوله‌کشی

به گزارش پایداری ملی به نقل از ایسنا ، مهندسان دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) و چین قصد دارند با استفاده از یک دستگاه که با الهام از اقیانوس ساخته شده است و از خورشید انرژی می‌گیرد، آب دریا را به آب آشامیدنی تبدیل کنند. این گروه پژوهشی، یک سیستم جدید نمک‌زدایی خورشیدی را طراحی کرده‌اند که آب شور را جذب می‌کند و نور طبیعی خورشید را برای گرم کردن آن به کار می‌برد.

پیکربندی دستگاه به آب امکان می‌دهد تا در گرداب‌های چرخان به گردش درآید. این گردش همراه با گرمای خورشید، آب را به سمت تبخیر شدن هدایت می‌کند و نمک را به جا می‌گذارد. بخار آب حاصل را می‌توان متراکم کرد و به عنوان آب خالص و آشامیدنی به کار برد. در این میان، نمک باقی‌مانده به جای انباشته شدن و ایجاد گرفتگی در سیستم، به گردش درون و بیرون دستگاه ادامه می‌دهد.

این سیستم جدید نسبت به سایر سیستم‌های نمک‌زدایی خورشیدی که در حال حاضر آزمایش می‌شوند، میزان تولید آب و دفع نمک بالاتری دارد.

پژوهشگران تخمین می‌زنند که اگر این سیستم به اندازه یک چمدان کوچک باشد، می‌تواند حدود چهار تا شش لیتر آب آشامیدنی را در هر ساعت تولید کند و چندین سال پیش از نیاز پیدا کردن به قطعات جایگزین دوام بیاورد. در این مقیاس و عملکرد، سیستم می‌تواند آب آشامیدنی را با قیمت ارزان‌تر نسبت به آب لوله‌کشی تولید کند. «لنان ژانگ»(Lenan Zhang) دانشمند آزمایشگاه پژوهشی دستگاه‌ها در دانشگاه ام‌آی‌تی گفت: با اجرا شدن این طرح، برای اولین بار ممکن است آبی که توسط نور خورشید تولید می‌شود، حتی ارزان‌تر از آب لوله‌کشی باشد.

پیش‌بینی گروه پژوهشی این است که یک دستگاه بزرگ‌تر می‌تواند آب آشامیدنی کافی را برای تامین کردن نیازهای روزانه یک خانواده کوچک تولید کند. همچنین، این سیستم می‌تواند آب آشامیدنی مورد نیاز را برای جوامع ساحلی تامین کند که آب دریا به راحتی برای آنها قابل دسترسی است.

یک همرفت قوی

طراحی جدید این گروه، طراحی پیشین آنها را بهبود می‌بخشد که مفهومی متشکل از چندین مرحله بود. هر مرحله شامل یک «تبخیرکننده» یا «اِواپراتور»(Evaporator) و یک «چگالنده» یا «کندانسور»(Condenseur) بود که از گرمای خورشید برای جداسازی غیرفعال نمک از آب ورودی استفاده می‌کرد.

ابداع یک آب‌ شیرین‌کن که با انرژی خورشیدی کار می‌کند

این طرح که روی سقف یکی از ساختمان‌های ام‌آی‌تی آزمایش شد، به طور موثر انرژی خورشید را به آب تبخیرشده تبدیل کرد و سپس آن را به صورت آب آشامیدنی تحویل داد اما نمک باقی‌مانده به سرعت به صورت بلورهایی جمع شد که پس از چند روز سیستم را مسدود کردند. در یک محیط واقعی، کاربر باید مراحل را به طور دائم تکرار کند که هزینه کلی سیستم را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

دانشمندان در تلاش بعدی، طرح جدیدی را با پیکربندی چندمرحله‌ای مشابه ارائه دادند. این بار یک ویژگی اضافه شد که به گردش آب ورودی و نمک باقی‌مانده کمک می‌کرد.

دستگاه جدید نمک‌زدایی آب بدون نیاز به فیلتر

اگرچه این طراحی مانع از نشستن و تجمع نمک روی دستگاه می‌شد اما آب را با سرعت نسبتا پایینی نمک‌زدایی می‌کرد.

گروه معتقدند در جدیدترین تلاش خود، به طرحی رسیده‌اند که هم به تولید آب بالا و هم به دفع نمک بالا می‌رسد. این بدان معناست که سیستم جدید می‌تواند آب آشامیدنی را به سرعت و با اطمینان برای مدت طولانی تولید کند. کلید طراحی این سیستم، ترکیبی از دو مفهوم پیشین است؛ یعنی یک سیستم چندمرحله‌ای از اواپراتورها و کندانسورها که برای تقویت گردش آب و نمک در هر مرحله پیکربندی شده‌اند.

«ژنیوان یو»(Zhenyuan Xu)، پژوهشگر «دانشگاه جیائو تونگ شانگهای»(SJTU) و از پژوهشگران این پروژه گفت: ما اکنون یک همرفت قوی‌تر را معرفی می‌کنیم که شبیه چیزی است که مشابه همتایان خود در اقیانوس با مقیاس‌های کیلومتری است.

گردش‌های کوچکی که در سیستم جدید ایجاد می‌شوند، شبیه به همرفت «ترموهالین»(Thermohaline) در اقیانوس هستند. ترموهالین، پدیده‌ای است که حرکت آب را در سراسر جهان براساس تفاوت دمای دریا(ترمو) و شوری(هالین) هدایت می‌کند.

ژانگ توضیح داد: وقتی آب دریا در معرض هوا قرار می‌گیرد، نور خورشید آب را به سمت تبخیر شدن هدایت می‌کند. هنگامی که آب از سطح خارج می‌شود، نمک باقی می‌ماند و هرچه غلظت نمک بیشتر باشد، مایع متراکم‌تر می‌شود و آب سنگین‌تر می‌خواهد به سمت پایین جریان یابد. با تقلید کردن از این پدیده به عرض یک کیلومتر در یک جعبه کوچک می‌توانیم از این ویژگی برای رد کردن نمک استفاده کنیم.

جذب گرمای خورشید

قلب طراحی جدید این تیم، مرحله‌ای است که در آن مواد تیره‌ای روی یک جعبه کوچک قرار گرفته‌اند و گرمای خورشید را به خوبی جذب می‌کنند. قسمت داخلی جعبه به دو بخش بالا و پایین تقسیم شده است. آب می‌تواند از نیمه بالایی جریان یابد که در آن سقف با یک لایه اواپراتور پوشانده شده تا از گرمای خورشید برای گرم کردن و تبخیر کردن هر آبی که در تماس مستقیم است، استفاده کند. سپس، بخار آب به نیمه پایین جعبه هدایت می‌شود که در آن یک لایه متراکم‌کننده بخار را به مایع قابل آشامیدن بدون نمک تبدیل می‌کند. پژوهشگران کل جعبه را در یک ظرف بزرگ‌تر و خالی قرار دادند. سپس، یک لوله را از نیمه بالایی جعبه به پایین وصل کردند و ظرف را در آب شور شناور کردند.

در این پیکربندی، آب به طور طبیعی می‌تواند از طریق لوله به سمت بالا و داخل جعبه فشار بیاورد که در آنجا شیب جعبه همراه با انرژی حرارتی خورشید باعث می‌شود تا آب در حین عبور از آن بچرخد. گرداب‌های کوچک کمک می‌کنند تا آب با لایه بالایی تماس پیدا کند و در عین حال نمک را نیز در گردش نگه ‌دارد، نه اینکه ته‌نشین شود و راه‌ها را مسدود کند.

این گروه پژوهشی، چندین نمونه اولیه در یک، سه و ۱۰ مرحله ساخت آزمایش کردند و عملکرد آنها را در آب‌هایی با شوری متفاوت از جمله آب طبیعی دریا و آبی که هفت برابر شورتر بود، مورد بررسی قرار دادند.

پژوهشگران با کمک این آزمایش‌ها محاسبه کردند که اگر هر مرحله تا یک متر مربع مقیاس‌بندی شود، می‌تواند تا پنج لیتر آب آشامیدنی را در هر ساعت تولید کند. همچنین، این سیستم می‌تواند آب را بدون انباشته شدن نمک برای چندین سال نمک‌زدایی کند. با توجه به این طول عمر و این واقعیت که سیستم کاملا غیرفعال است و برای کار کردن نیازی به برق ندارد، پژوهشگران تخمین می‌زنند که هزینه کلی راه‌اندازی سیستم، ارزان‌تر از هزینه تولید آب لوله‌کشی در آمریکا باشد.

«یانگ ژونگ»(Yang Zhong) دانشجوی فارغ‌التحصیل دانشگاه ام‌آی‌تی و از پژوهشگران این پروژه گفت: ما نشان می‌دهیم که این دستگاه می‌تواند به طول عمر طولانی دست یابد. این بدان معناست که برای اولین بار ممکن است آب آشامیدنی تولیدشده توسط نور خورشید، ارزان‌تر از آب لوله‌کشی باشد.

«گیهوا یو»(Guihua Yu) که سیستم‌های ذخیره‌سازی آب و انرژی پایدار را در «دانشگاه تگزاس در آستین»(UT Austin) توسعه می‌دهد و در این پژوهش شرکت نداشت، گفت: این یک رویکرد بسیار نوآورانه است که چالش‌های کلیدی در زمینه نمک‌زدایی را به طور موثر کاهش می‌دهد. این طرح به ویژه برای مناطقی که با آب بسیار شور سر و کار دارند، سودمند است. طراحی مدولار دستگاه، آن را برای تولید آب خانگی بسیار مناسب می‌کند و امکان مقیاس‌پذیری و سازگاری را برای رفع کردن نیازهای فردی فراهم می‌سازد.

این پژوهش در مجله «Joule» به چاپ رسید.