“الكرات الخارقة” الذهبية: أمل جديد لتعظيم استغلال الطاقة الشمسية
في سعي البشرية الحثيث نحو مستقبل طاقة مستدام، تبرز معضلة فيزيائية قديمة تحول بيننا وبين طموحاتنا، وهي عدم قدرتنا على استغلال نصف الهدية التي ترسلها الشمس لنا يوميا. يغمر ضوء الشمس كوكبنا، ويصل إلينا كطيف واسع ومتنوع حاملا طاقات وموجات مختلفة. ورغم نجاح التقنيات الحالية المتاحة في الأسواق في حصاد الضوء المرئي بكفاءة مقبولة، تظل كميات هائلة من الطاقة الحرارية غير المرئية تنسل من بين أيدينا دون استفادة.
طاقة شمسية منقوصة: نصف الهدية الضائعة
يشرح الباحث سيونجوو لي، من جامعة كوريا، أن ضوء الشمس ليس مجرد ألوان قوس قزح المرئية؛ فما يقارب نصف طاقة الشمس التي تلامس الأرض تصل على شكل حرارة غير مرئية في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. المواد الشمسية التقليدية، بحسب لي، “تشبه جهاز راديو يلتقط محطات “إف إم” فقط ويتجاهل محطات أخرى. ولأن خلايانا الشمسية لا تستقبل طيف الأشعة تحت الحمراء، فإنها تهدر حرفيا نصف طاقة الشمس المجانية”. هذه المعضلة تؤدي إلى أن الألواح الشمسية الحالية تستغل جزءًا محدودًا فقط من طاقة الشمس المتاحة.
“سوبربولز”: حيلة ذهبية لتحصيل الطاقة الشاملة
في دراسة علمية حديثة نشرت في دورية “إي سي إس أبلايد ماتيريالز أند إنترفيسز”، كشف فريق بحثي من جامعة كوريا عن ابتكار هندسي جديد يحمل في طياته إمكانية تغيير قواعد اللعبة كليا. الابتكار الجديد عبارة عن هياكل كروية ذهبية دقيقة أطلق عليها الباحثون اسم “سوبربولز” أو الكرات الخارقة لتعظيم الاستفادة من أشعة الشمس المهدرة.
يكمن سر هذا الابتكار في إعادة هندسة المادة بطريقة مبتكرة. إذ استخدم الفريق جزيئات الذهب النانوية لبناء الكرات الخارقة. هذه الجسيمات الذهبية النانوية، عند تجميعها بإحكام، تشكل بنية ثلاثية الأبعاد تعمل كـ”إسفنجة” فائقة الكثافة. تلتقط الطبقة الخارجية لهذه الإسفنجة الضوء المرئي، بينما يعمل اللب الداخلي فائق الكثافة على سحب واحتجاز قطرات المطر الثقيلة (الأشعة تحت الحمراء غير المرئية) التي عادة ما تمر عبر جزيء واحد. وبعملها الجماعي، يمتص الإسفنج أكثر من 90% من ضوء الشمس، بينما تلتقط الجزيئات التقليدية أقل من النصف.
لمعان الطاقة: امتصاص شامل للأشعة الشمسية
تتصرف البنية الداخلية للكرات الخارقة وفقا لمبدأ فيزيائي محدد. يقول لي: “ابتكرنا مادة اصطناعية تعمل كمتاهة كثيفة ومتعرجة للضوء”. عندما يدخل الضوء غير المرئي هذه المادة، فإنها تجبره على الإبطاء بشكل كبير والدوران في أنماط دائرية معقدة، ليحاصر في هذه المتاهة حتى يفرغ كل طاقته وتتحول إلى حرارة.
الكفاءة والتكلفة: مستقبل واعد للطاقة المتجددة
يجيب لي على التساؤلات حول تكلفة استخدام الذهب، موضحًا أن سمك طبقاتهم لا يتجاوز بضعة ميكرومترات، أي أرق بكثير من شعرة الإنسان. والأهم من ذلك، أن طريقة التصنيع لا تتطلب مصانع ضخمة ومكلفة؛ إذ يمكن ببساطة طباعة المادة أو صبها على الأسطح في درجة حرارة الغرفة. ويشير إلى أنه يمكن تطبيق نفس التصميم المعماري على معادن أرخص وأكثر وفرة مثل النحاس أو الألومنيوم في المستقبل، مما يجعلها ميسورة التكلفة بوضوح للإنتاج الضخم.
إحلال أم إضافة: تعزيز الأنظمة الشمسية الحالية
الباحثون لا يهدفون لاستبدال ألواح السيليكون الشمسية التقليدية، بل إلى تعزيزها. في دراستهم، قاموا بتغطية مولد كهروحراري – يحول الحرارة إلى كهرباء – ورفعوا إنتاجه من الطاقة بمقدار 2.4 ضعف. قد يؤدي هذا إلى ألواح منزلية هجينة تستخلص الضوء والحرارة المتبقية، أو تُستخدم في سخانات المياه الشمسية عالية الكفاءة وأنظمة تحلية المياه.
من الناحية البيئية، يحمل هذا الابتكار وعودًا وتأثيرًا إيجابيًا كبيرًا. فتوليد أكثر من ضعف الطاقة من نفس مساحة السطح يعني القدرة على بناء أجهزة أصغر وأكثر كفاءة، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الأراضي والمواد الخام، ويخفض انبعاثات الكربون المطلوبة لتصنيع وتركيب الأنظمة الشمسية عالميًا.
ما الخطوة التالية؟
تكمن الخطوة التالية في تحقيق التوسع في الإنتاج. على الرغم من نجاح التجارب المعملية، إلا أن التحول إلى الإنتاج التجاري يتطلب المزيد من البحث والتطوير لضمان كفاءة العملية وقابليتها للتوسع. ومن أبرز التحديات التي يجب مراقبتها في المستقبل هي استقرار المواد على المدى الطويل تحت الظروف البيئية المختلفة، وتكلفة الإنتاج على نطاق واسع مقارنة بالبدائل الحالية.