Design and Fabrication of a Laboratory Scale Hydromechanical Surface Floating Waste Collector Using River Flow

تعد الأنهار شرايين كوكبنا، فهي تحمل المياه من الجبال إلى البحار. لكنها تحمل أيضاً النواتج الثانوية غير المرغوب فيها للحياة البشرية: الزجاجات البلاستيكية، والعبوات الرغوية، والحطام المتشابك. وعندما يطفو هذا النفايات على السطح، فإنه يهدد الأسماك والطيور وجودة المياه نفسها. لعقود من الزمن، حاول المهندسون بناء آلات لغرف هذه القمامة من الماء، لكن العديد من هذه الآلات تعتمد على الكهرباء أو الوقود لتشغيل محركاتها، مما يعني أنها تحتاج إلى كابلات طاقة أو بطاريات أو مولدات. وهذا يخلق مشكلة في الأنهار النائية حيث لا توجد شبكة كهرباء، كما يزيد من التكلفة والتعقيد في جهود التنظيف. ومن هنا، يكمن التحدي في ابتكار جهاز يمكنه تنظيف النهر باستخدام الطاقة الموجودة بالفعل في الماء نفسه: التيار المائي.

قام فريق من الباحثين في إيران بحل هذه المشكلة من خلال تصميم جامع نفايات عائم يعمل بالكامل على قوة تدفق النهر. لقد بنوا نموذجاً أولياً بمقياس مختبري لاختبار ما إذا كان نظام ميكانيكي بسيط يمكنه اعتراض القمامة، ورفعها من الماء، وإيداعها في حاوية تخزين دون أي مصدر طاقة خارجي. يعمل الجهاز مثل عجلة مائية؛ فبينما يدفع تيار النهر ضد الشفرات المتصلة بعجلة دوارة كبيرة، تدور العجلة. وتعمل هذه الدورة ميكانيكياً مع حزام ناقل يقع بزاوية ويرتفع خارج الماء. وبينما تدور العجلة، فإنها تحرك الحزام الذي يعمل كمنحدر لحمل الحطام الطاف de خارج النهر وإلى خزان احتجاز. أراد الباحثون إيجية المزيج المثالي من الأجزاء لجعل هذا النظام يعمل بأقصى قدر من الكفاءة. وقد اختبروا أشكالاً مختلفة للشفرات، وأعداداً مختلفة من الشفرات، وأنواعاً مختلفة من الأحزمة الناقلة، وزوايا مختلفة للمنحدر، كل ذلك مع مراقبة كيفية أداء الآلة في نهر حقيقي بسرعات متغيرة.

بنى الفريق إطاراً معدنياً متيناً يمكن تعديله ليتناسب مع العمق المناسب في الماء. وفي المقدمة، تنتظر عجلة كبيرة ذات شفرات التيار المائي. وخلفها، كان هناك نظام ناقل جاهز لرفع المحصول. ولضمان وصول القمامة فعلياً إلى الآلة، قاموا بتثبيت أذرع توجيه طويلة تعمل كأسيجة، تقوم بتوجيه الحطام الطافي نحو المدخل. كما بنوا آلية إيقاف ذكية: فإذا امتلأت حاوية القمامة، سيقوم مستشعر باكتشاف المستوى وإيقاف الآلة تلقائياً لمنع الفيضان، مما يشير إلى ضرورة تفريغها. أخذ الباحثون هذا الجهاز إلى نهر "سفارود" في إيران، واختبروه تحت ظروف مختلفة، عبر إطلاق أنواع متنوعة من النفايات — تتراوح بين ريش كرة الريشة وصنوبريات الأشجار إلى الزجاجات البلاستيكية وقطع الفوم — في الماء في اتجاه المنبع لمعرفة ما إذا كانت الآلة ستلتقطها.

كشفت التجارب أن التصاميم ليست جميعها تعمل بنفس الكفاءة. فقد وجد الباحثون أن ذراع التوجيه المستقيمة والصلبة كانت أفضل بكثير من الذراع المرنة، التي كانت تميل للتأرجح في التيار وتسمح بمرور القمامة. كما اكتشفوا أن حزاماً ناقلاً مكوناً من قطع نمطية يعمل بشكل أفضل من نظام السلاسل، ويرجع ذلك على الأرجى إلى أن القطع توفر تماسكاً أفضل للنفايات المبللة والزلقة. وعندما يتعلق الأمر بزاوية الحزام الناقل، أثبت المنحدر اللطيف بزاوية 30 درجة أنه أكثر فعالية من المنحدر الحاد بزاوية 60 درجة، مما يسمح للنفايات بالانزلاق للأعلى بسهولة أكبر دون السقوط مجدداً. ومع ذلك، كان العامل الأكثر أهمية هو تصميم العجلة الدوارة؛ فبينما تولد الشفرات المسطحة عزماً دورانياً أكبر، وجد الباحثون أن الشفرات المنحنية مع اثنتي عشرة شفرة تدور معاً هي التي حققت أفضل أداء إجمالي. سمح هذا التكوين للعجلة بالدوران بشكل أسرع والتقاط المزيد من العناصر في وقت محدد.

عندما قام الفريق بتشغيل الآلة بإعداداتها المثلى، كانت النتائج مشجعة. فبسرعة تدفق نهر تبلغ 0.4 متر في الثانية، نجح الجهاز في جمع 83 بالمئة من النفايات الطافية التي واجهها. وقد أدى أداءً استثنائياً مع مواد معينة، حيث التقط 100 بالمئة من زجاجات البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) وفوم البوليسترين الممدد (EPS)، وهي مواد شائعة في نفايات الأنهار. كما التقط 93 بالمئة من البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) و84 بالمئة من البولي إيثيلين منخفض الك densidad (LDPE). ومع ذلك، سلطت الدراسة الضوء أيضاً على محدودية واضحة: فكلما زادت سرعة تدفق النهر، قل كفاءة الآلة. فبسرعة 1.1 متر في الثانية، انخفض معدل الجمع إلى 71 بالمئة. وأوضح الباحثون أنه عند السرعات العالية، يتحرك الماء بسرعة كبيرة تمنع أذرع التوجيه من توجيه القمامة بفعالية، وغالباً ما ينزلق الحطام متجاوزاً الآلة قبل أن تتمكن من رفعه.

تثبت هذه الدراسة أن النظام الهيدروميكانيكي ذاتي التشغيل يعد حلاً قابلاً للتطبيق لتنظيف الأنهار، خاصة في المناطق التي لا تتوفر فيها الكهرباء أو تكون فيها مكلفة. لقد أثبت الجهاز قدرته على العمل باستمرار باستخدام الطاقة الحركية للمياه فقط، مما يوفر بديلاً مستداماً للقوارب التي تعمل بالوقود أو الدراجات الكهربائية. ورغم أن الآلة واجهت صعوبة في التيارات السريعة جداً، إلا أن كفاءتها العالية في التدفقات المتوسطة تشير إلى أنها قد تكون أداة قيمة لإدارة النفايات في العديد من المجاري المائية الطبيعية. وخلص الباحثون إلى أنه من خلال ضبط الأجزاء الميكانيكية بدقة — وتحديداً شكل الشفرات، وعدد الشفرات، وزاوية الحزام الناقل — يمكن إنشاء منظف قوي ومستقل عن الطاقة. ويقدم هذا النهج مساراً واعداً للحد من كمية البلاستيك التي تنتقل من الأنهار إلى المحيطات، بالاعتماد على قوة النهر نفسه ليعالج نفسه.