المياه والغذاء وتوليد الطاقة هي أركان المجتمع الحديث وتشكل نظاما مركبًا ومترابطاً ينبغي تقييمه على أفضل وجه لتحسين الأداء العام. ويهدف هذا المشروع إلى تطوير آلية عمل لنمذجة متكاملة لتقييم جميع الأنظمة الثلاثة على مستوى البناء الفردي في الرياض والمناطق الحضرية الأخرى. مؤشرات الأداء الرئيسة هي التكاليف ذات الصلة، وانبعاثات الكربون والوظائف المرتبطة -على سبيل المثال-إنتاج الأغذية عن طريق الزراعة المائية، يقوم فريق المشروع باستخدام بيانات حي المروج في الرياض كحالة دراسية.

ويستند هذا العمل على العمل السابق من قبل المدينة في مشروع حديث تم فيه تطوير آلية نمذجة لتحويل معلومات نظم المعلومات الجغرافية وبيانات LiDAR إلى نماذج ثلاثية الأبعاد للبناء لنمذجة الطاقة في المباني الحضرية. في هذا المشروع سوف يتم بناء نموذج استخدام المياه في المناطق الحضرية على أساس البيانات التي تم جمعها من حي المروج بالرياض. جزء من جهود النمذجة سيكون لفهم الاستهلاك الحالي وتنفيذ معايير كفاءة استخدام المياه على المستوى السكني. في جهد مكمل لهذا المشروع، سوف يتم التحقق من صحة سير آلية العمل في نمذجة المزارع المائية في مدينة الرياض.

يهدف هذا المشروع إلى دراسة المصادر الطبيعية للمياه متمثلة في المياه الجوفية باستخدام مجموعة بيانات مستقاة من أحدث تقنيات الأقمار الصناعية والاستشعار عن بعد إضافة إلى بيانات المحطات الأرضية والنماذج الحاسوبية الهيدرولوجية لتعمل بشكل متناغم مع بعضها البعض. يتضمن الاستشعار عن بعد رصداً مدارياً لتغيرات توزيع الكتلة والسطح ومدى رطوبة التربة والتغيرات الحرارية ومعدل الأمطار إضافة إلى متغيرات أخرى. وفي حين أنه يمكن تناول هذه المشكلة كلياً باستخدام هذه البيانات ووصلها بمجموعة من بيانات المحطات الأرضية بما في ذلك القياسات المستمرة (GPS) لتغيرات السطح ومستوى المياه في الآبار الجوفية ومحتوى المياه في الطبقات الجوفية الضحلة. تعمل النماذج الحاسوبية بعد ذلك على تقديم معلومات عن مدى التوازن بين معدل استخراج المياه الجوفية ومعدل إعادة تغذيتها بهطول الامطار في ظل التغيرات المناخية الحالية والمستقبلية آخذين بالحسبان جميع مصادر البيانات المستخدمة سابقاً. يساعد هذا النهج في إعطاء صورة شمولية عن حالة المياه الجوفية وفهم الدورة الهيدرولوجية لشبه الجزيرة العربية بشكل يمكّن صنّاع القرار من إدارة هذا المصدر على نحو مستدام. وتتوافق أهداف هذا المشروع مع رؤية ٢٠٣٠ في مساعدة صنّاع القرار باتخاذ سياسات تصب في صالح المملكة بتقدير ثرواتها الطبيعية واستغلالها على الوجه الأمثل.

أبرز الإنجازات:

• اجراء تقييم شامل لمعدلات استنزاف المياه الجوفية في مناطق مختلفة من المملكة باستخدام بيانات الأقمار الصناعية.
• التحقيق في الأسباب المحتملة وراء معدلات استنفاد المياه الجوفية وارتباطها بالسياسات الموضوعة.

يهدف هذا المشروع إلى بناء نظام نمذجة ومحاكاة لغرض تقييم تجميع مياه الأمطار على مستوى مدينة الرياض التي تتميز بمناخها الجاف وقله هطول الأمطار، وأثر ذلك على الحد من الأخطار المرتبطة بمياه السيول والأمطار. وستركز الدراسة على حصاد المياه كمورد للمياه بعد تنفيذ تحليل التكلفة والفوائد. وسيتم ذلك من خلال استخدام نموذج إدارة مياه الأمطار الذي طورته وكالة حماية البيئة الأمريكية (pcSWMM)، وهو برنامج يحاكي ديناميكية هطول الأمطار لحوادث منفردة أو متكررة وطويلة الأجل.

وتتم المحاكاة من خلال تقدير الجريان السطحي من البيانات المناخية وتتابعه من خلال قنوات الصرف والتعرف بذلك على المناطق المتأثرة بالغمر وكميات مياه الصرف ونوعيتها وتحديد الآثار المصاحبة والناجمة عن الحواد المطرية. كما سيتم الاستفادة من نموذج آخر (ModSIM) للتعرف على التداخل بين مياه السيول وتصريف المياه الأرضية في مدينة الرياض للوقوف على فهم صحيح في تصريف مياه الأمطار والأخطار المرتبطة بها، والاستفادة منها كمصدر للمياه.

المنتج المستهدف في هذا المشروع عبارة عن أغشية بلمرية مجوفة لتحلية مياه البحر وباستخدام بلمر جديد لم يستخدم من قبل في التحلية، وهذا البلمر هو بولي بنزيم دازول. يهدف المشروع إلى تطوير البنية التحتية لمختبر الأغشية وتجهيزه بالأجهزة العلمية المتطورة والمواد الكيميائية، والخامات المحلية اللازمة لتصنيع وإنتاج أنواع مختلفة من الأغشية الاختبارية وهي أغشية فائقة الترشيح، وأغشية التناضح العكسي، وذلك بمقاسات مخبرية ليتسنى الانتقال للمرحلة الثالثة من المشروع الهادفة إلى إجراء عمليات التشخيص الكيميائية والفيزيائية للأغشية المنتجة، وتهدف أيضاً إلى إجراء اختبارات التقويم لأداء الأغشية في معالجة وتحلية المياه، باستخدام عينات مختلفة من المياه.

وبعد اكتمال المراحل السابقة تبدأ مرحلة تصنيع وإنتاج نموذج أولي اختباري بمقياس أكبر يماثل مقاس الأغشية في محطات تحلية المياه، يحوي غشاءً فائق الترشيح بمقاس 4-8 بوصة، ويتم عمل اختبارات التشخيص وتقويم الأداء في تحلية مياه البحر، وعمل دراسة مقارنة الأداء للغشاء المنتج في مختبرات المدينة مع ما يتوفر حالياً من الأغشية التجارية وتقويمها من حيث التحمل ومقاومة الأملاح، وعدة عوامل كيميائية وفيزيائية. كما سيتم تصميم محطة تجريبية لتحلية مياه البحر تناسب الغشاء المنتج.

أبرز الإنجازات:

• دراسة المسح الأدبي الذي يشمل الدراسات السابقة مع ومقارنة للأغشية المستخدمة حالياً.
• التعاقد مع معهد ستانفورد بالولايات المتحدة الأمريكية كجهة استشارية تقنية في مجال تقنية الأغشية.
• تطوير مختبر الأغشية بنسبة 10% من التجهيزات اللازمة للمشروع.

يهدف هذا المشروع الذي يجري بالتعاون مع جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة التابع لمبادرات المدينة لرؤية المملكة 2030 إلى إنتاج وتحسين خواص أنابيب الكربون متناهية الصغر واستخدامها في تصنيع أغشية تستخدم في مجال تحلية المياه. حيث أظهرت الدراسات أن أنابيب الكربون متناهية الصغر ذات فعالية عالية في تقنية تحلية المياه. حيث تسمح هذه الأنابيب عند تمرير المياه المالحة من خلالها بمرور جزيئات الماء بدون جزيئات الملح فينتج عن ذلك ماء خالٍ من الأملاح بنسبة عالية.

ومن خلال تجارب المحاكاة الأولية تبين أن جزيئات الماء قادرة على المرور بسهولة من خلال أنابيب الكربون ذات القطر 1.38 نانومتر بخلاف أيونات الملح هيدروكسيد الصوديوم Na+ و Cl-التي يتم طردها ومنعها من المرور والاختراق بواسطة إضافات على جدار الأنبوب على الرغم من أنها أصغر بكثير في حجم أنابيب الكربون وهذا يتفق مع النتائج الموجودة في الدراسات السابقة حيث إن تأثير مجال الترطيب حول الأيونات يعوق مرورها من خلال الأنابيب الكربونية.

في الفترة السابقة من المشروع تم إنتاج أنابيب الكربون المتناهية الصغر باستخدام الجهاز الموجود في جامعة كامبريدج وأيضاً بناء نظام لاختبار الألياف المنتجة وتصميم خلية لاختبار هذه الألياف باستخدام النظام.

في الخطة المستقبلية في ما تبقى من المشروع سيتم اختبار الألياف لقياس مدى كفاءتها لإزالة أملاح البحر والشوائب الأخرى.

أبرز الإنجازات:

• إنتاج ألياف دقيقة من الكربون.
• تصنيع خلية لاختبار ألياف الكربون.
• عمل محاكاة لاختبار الألياف باستخدام برامج المحاكاة.
• بناء نظام لاختبار ألياف الكربون.

توافقاً مع الرؤية 2030 للمملكة فإن تكنولوجيا خلايا الوقود هي مصدر الطاقة النظيفة البديلة والمتجددة التي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. غشاء خلايا الوقود ذو التبادل البروتوني (بي إي إم إف سي) هو أحد الاستخدامات الواعدة، لأدائه العالي وخصائصه الصديقة للبيئة (إنتاج المياه باعتبارها المنتج الثانوي الوحيد).

يتم تطوير حواجز مضادة للإنسداد لأغشية البولي أميد التجارية قائمة على الجزيئية الخارقة (سوبرموليكيولار) الجديدة، وهجين تساهمي /ميكانيكي ذي التركيب الهندسي المتشابك، لتكوين تصور مباشر لتركيب مبلمرات ذات المسامات النانوية التي تم تصنيعها، باستخدام التحليل المجهري الإلكتروني المسحي والتحليل المجهري الإلكتروني النافذ. النتائج تكشف أن المبلمرات ذات المسامات النانوية التي تتكون من صفائح رقيقة جداً مفردة وطرية ومرنة تجعل البوليمرات طلائية يسهل ترسيبها بسهولة على سطح الغشاء، وتوفير حاجز واقٍ قابل للاستبدال، لزيادة عمر الغشاء وخفض التكاليف على المدى الطويل.

ويهدف هذا المشروع إلى:

• تطوير حواجز جزيئية خارقة (سوبراموليكولار) مضادة للإنسداد، تترسب عكسياً على الأغشية التجارية لتحسين عمر الغشاء وخفض تكاليف تحلية المياه على المدى البعيد
• تطوير سلسلة من الفيولوجين سوبرامولكولار والجزيئات المتشابكة ميكانيكياً بوليروتاكسان (إم آي إم س).
• دراسة وتحسين أداء هذه النظم ك بي إي إم س.

تكمن أهمية المشروع في تطوير مواد نانويّة مساميّة وتقنيات جديدة لاستخدامها في تطبيقات صناعية مختلفة وذلك للمساهمة في إيجاد حلول للتحديّات العالميّة في ‏مجال إنتاج الطاقة النظيفة. تمتاز تلك المواد بالعديد من السمات الخاصة مقارنة بالمواد التقليديّة كالمساحات السطحيّة العالية جدًّا، ومرونتها الهيكليّة مع ثبات ميكانيكيّ ‏وحراريّ عالٍ. لذلك تعدّدت تطبيقات هذه المواد في مجالات كثيرة من أهمها تخزين أنواع مختلفة من الغازات، وذلك عن طريق قدرتها العالية على ربط جزيئات الغازات ‏المختلفة داخل البلّورات المساميّة. كما استُخدمت هذه المواد في تخزين الطاقة، وإنتاج الطاقة النظيفة، والمساعدة في التقاط الغازات المسببة للاحتباس الحراري وتخزينها ‏مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان.

في هذا المشروع تم تحضير عدة مركّبات مساميّة عضو-معدنيّة لاستخدامها في التطبيقات التالية:

1. تخزين الغازات المختلفة ‏كالهيدروجين والميثان عند درجة حرارة الغرفة.
2. التقاط ثاني أكسيد الكربون الانتقائي في وجود الماء.
3. استخدام هذه المركبات المسامية-عضو معدنية كمواد ‏محفزة للتحويل الانتقائي لثاني أكسيد الكربون والميثان إلى مركبات كيميائية ذات قيمة اقتصادية.
4. إنتاج الماء من الهواء الجوي في مناطق ذات رطوبة منخفضة.

تتمثل أهداف المشروع في رسم خرائط مباشرة للتوزيع المكاني للمياه الجوفية في المناطق الجافة من المملكة العربية السعودية، وفهم هيدرولوجيا المياه الجوفية، وتحسين نماذج تدفق المياه الجوفية، وتوفير موارد مائية جديدة تحقيقاً لرؤية 2030.

في هذه المرحلة من المشروع، يهدف الفريق إلى دراسة إمكانية تصميم رادار محمول جواً لاستكشاف المياه الجوفية ومعرفة العمق الأقصى الذي يمكن أن تصل إليه أشعة الرادار من غير التوهين والانتثار لأشعة الرادار. ولتقييم أداء نظام الرادار الافتراضي، يتطلب هذا العمل نموذجاً كهربائياً للمواد تحت السطحية وبنيته الشكلية حيث إن الخصائص الكهرومغناطيسية تحت سطح الأرض متغيرة للغاية وحساسة للظروف المحلية.

وعلى هذا النحو، سيقوم فريق المشروع بالنظر في مساحة محددة لفهم التصميم وحساسية الأداء لخصائص المواد (والنظام). وأيضاً دراسة وتقييم آثار الفوضى السطحية على الرادار المحمول جواً. يقدم هذا المشروع تقييما للعوامل المحددة للكشف عن طبقات المياه الجوفية تحت السطحية. ويناقش خصائص ومطابقات نظام الرادار المحمول جواً وتقديرات الأداء الأولية. وبالإضافة إلى ذلك، يقدم اقتراحات لمجالات الدراسة الإضافية لتحسين متطلبات نظام الرادار الصوتي.

أبرز الإنجازات:

• إقامة ورشة عمل تدريبيّة واحترافيّة عالميّة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
• إقامة ورشة عمل تدريبيّة واحترافيّة عالميّة في مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية.
• نشر ورقة علمية محكمة.

يعد تكون الرواسب الجيرية والمحتوية عادة على أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم إحدى المشاكل التشغيلية في الكثير من الصناعات التي تستلزم مرور المياه في أجزائها. ففي محطات التحلية تعد المواد المانعة للترسب أحد أهم المواد الكيميائية التي تساهم بشكل كبير في زيادة كفاءتها وتشغيلها. حيث تعمل على تأخير أو منع تكون القشور الكلسية التي تمنع أو تحد بشكل كبير من عملية التبادل الحراري اللازمة لتحلية المياه. كما أن تطبيقات هذه المواد تمتد إلى تقنيات عديدة مثل عمليات التنقيب واستخراج النفط.

يهدف المشروع إلى تطوير موانع ترسيب مناسبة للاستخدام في محطات التحلية الحرارية لزيادة كفاءتها واستمرارية تشغيلها وتقليل تكاليف صيانتها كما أنه بالإمكان استخدامها في حقول النفط لمنع تكون الرواسب الجيرية على الأنابيب والمبادلات الحرارية. حيث سيتم البدء في تقييم المواد المصنعة تجارياً لمعرفة كفاءتها وتركيبتها الكيميائية ومعرفة أهم الصفات الفيزيائية لها. كما سيتم اختيار وتطبيق طرق البلمرة المناسبة في تحضير بوليمرات ذائبة في المياه لها الصفات نفسها أو أفضل. كما سيتم تقييم المواد المحضرة مخبرياً على كفاءتها في منع تكون رواسب الكربونات وتجربة المنتجات المناسبة على المحطات التجريبية المخبرية لمعرفة كفاءتها والعمل على تطويرها.

يهدف المشروع لتطوير نظام متكامل لحماية خطوط أنابيب المياه الطويلة ومتابعة جودة المياه من خلال شبكة استشعار لاسلكية تضم مجموعة من المستشعرات التي تقيس التسارع والحرارة وتلتقط صور تحليلية بمستشعرات للأشعة تحت الحمراء، بالإضافة إلى توليد طاقة تشغيلية للمستشعرات بشكل تلقائي عن طريق تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية وتقليل تسرب المياه وسيسهم المشروع هذا في رفع الامن الوطني المائي وتحقق عددا من اهداف روية 2030 للتحول الوطني بإسهامها في ايقاف الهدر المائي الذي يصل إلى نسب عالية من اجمالي الانتاج وايضا سيسهم في رفع جودة المياه الموصلة إلى المواطن.

وسيتكون المشروع من 4 اجزاء اساسية المستشعرات اللاسلكية و اجهزه جامعة للمعلومات وقواعد بيانات ونظام برمجي يقوم بالربط بين هذه الاجزاء الأربعة حيث ستقوم المستشعرات بنقل حاله المياه حسب تخصص كل مستشعر, مثال مستشعر ملوحة المياه ,إلى الاجهزة الذكية وستقوم الاخيرة بجمع البيانات من جميع هذه المستشعرات إلى النظام البرمجي الذي سيقوم بتخزين هذه المعلومات في قواعد البيانات وسيقوم النظام ايضا بتنظيم وادارة ذلك كله للمستخدم النهائي والقيام بعمل تحليل عام لشبكة نقل المياه ويستفاد من هذا التحليل في تسهيل عمل الجهة المعنية في حل كثير من المشاكل التي قد تواجهها.