من الواضح أنه لا يوجد شيء لانهائي، ولكن على المستوى الكوكبي والبشري يمكننا أن نعتبر الأمر بهذه الطريقة... لأن ملايين الجيغاواط ليست سيئة على الإطلاق!!
ماذا لو كانت الطاقة اللانهائية والنظيفة والمجانية تأتي من الأشعة تحت الحمراء؟
يمكن تحويل الأشعة تحت الحمراء، التي تمر عبر الأرض مباشرة، إلى طاقة باستخدام عملية جديدة تعتمد على "النفق الكمي".
اكتشف باحثون سعوديون للتو طريقة لاستخلاص الحرارة من الأشعة تحت الحمراء وتحويلها إلى طاقة نظيفة ومتجددة. في دراستهم المنشورة في مجلة Materials Today Energy، أوضحوا أنهم حققوا هذا العمل الفذ بفضل هوائيات صغيرة تعمل بفضل "تأثير النفق"، وهي ظاهرة من ميكانيكا الكم.
لكي نفهم تمامًا أهمية اكتشافهم، يجب علينا أولاً أن نتذكر بعض الحقائق. يتم امتصاص معظم ضوء الشمس الذي يصل إلى سطح الأرض عن طريق الأرض والمحيطات والغلاف الجوي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الأرض. يؤدي هذا الاحترار إلى انبعاث دائم للأشعة تحت الحمراء. وبحسب تقديرات متخصصة فإن هذا الإشعاع سينتج ملايين الجيجاوات. وعلى سبيل المقارنة، تنتج محطة غرافيلين للطاقة النووية، الأقوى في فرنسا، 5460 ميغاوات.
"الألواح الشمسية 24 ساعة يوميا"
وكان هدف العلماء في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) في المملكة العربية السعودية هو اكتشاف هذا الإشعاع و"التقاطه" لتحويله إلى كهرباء. الاهتمام؟ ويؤكد عاطف شمين، المؤلف الرئيسي للدراسة، على موقع الجامعة السعودية: “على عكس طاقة الألواح الشمسية، التي يقتصر تأثيرها على ضوء النهار والظروف المناخية، يمكن حصد طاقة حرارة الأشعة تحت الحمراء على مدار 24 ساعة يوميا”. ويضيف الباحثون في دراستهم: "إن القدرة على حصاد هذه الطاقة يمكن أن تؤدي إلى تعطيل قطاع الطاقة المتجددة تمامًا".
وهذا أمر جيد، لأنهم وجدوا الحل. "إحدى الطرق لتحقيق ذلك هي معالجة حرارة الأشعة تحت الحمراء كموجات كهرومغناطيسية عالية التردد. باستخدام الهوائيات المناسبة، يتم إرسال الموجات الملتقطة إلى صمام ثنائي شبه موصل، والذي يحول الإشارة المتناوبة [من الموجة] إلى تيار مما يسمح ببطارية أو أي شيء آخر. المعدات الكهربائية المراد إعادة شحنها"، يوضح عاطف شمين.
هوائيات نانوية
من الواضح أن الصعوبة الكاملة للمشروع تكمن في تصميم "الهوائيات المعدلة" الشهيرة [هوائيات قادرة على تحويل طاقة الترددات الراديوية إلى تيار مباشر]. ويتابع الباحث قائلاً: "إن انبعاثات الأشعة تحت الحمراء لها أطوال موجية صغيرة جدًا بحيث يلزم وجود هوائيات صغيرة أو بالأحرى نانوية [جزء من المليار من المتر]". بوضوح؟ ويتطلب التقاط هذه الموجات هوائيات غير مرئية تمامًا للعين المجردة، أصغر بكثير من المليمتر.
ويؤكد الباحثون أنه حتى الآن لا يوجد جهاز في العالم قادر على تحويل هذه الموجات إلى كهرباء. ولهذا السبب تحولوا إلى جهاز يستخدم تأثير النفق، وهي ظاهرة شائعة جدًا في ميكانيكا الكم.
أبسط مثال لفهم ذلك هو أن الكرة يجب أن تصعد إلى أعلى التل. في الفيزياء الكلاسيكية، إذا لم يتم دفع الكرة بما يكفي من الطاقة، فإنها لا ترتفع. لكن في فيزياء الكم، يمكن للكرة أن تمر من تحت التل، حتى مع طاقة محدودة، وذلك بفضل مبدأ عدم اليقين، الذي ينطبق على عالم اللامتناهي في الصغر.
ومن خلال استغلال هذه الظاهرة، قام الباحثون، في مختبرهم المخصص، ببناء صمام ثنائي نانوي قادر على تحويل موجات الأشعة تحت الحمراء إلى طاقة تسمح للإلكترونات بالمرور عبر حاجز صغير. كل ما كان عليهم فعله هو إنشاء هوائيات قادرة على خلق مجال مغناطيسي قوي بما يكفي "لدفع" الإلكترونات عبر حاجز، والذي يمكن مقارنته بـ "التل" في المثال السابق.
"دليل على نجاح المفهوم"
"La partie la plus difficile a été de se faire chevaucher, à l'échelle nanométrique, les deux bras de notre antenne [qui maintenaient la barrière au centre du dispositif], explique Gaurav Jayaswal, un autre chercheur de l'Université KAUST. Mais لقد نجحنا."
- Tunnel-quantique_6015824.jpg (89.31 كيلو بايت) تمت استشارته 7880 مرة
ونتيجة لذلك، تمكن الباحثون من تحويل الأشعة تحت الحمراء إلى طاقة. من الواضح أن النموذج الأولي الخاص بهم لا يمكنه بعد تزويد العالم بالكهرباء، ولا المملكة العربية السعودية، ولا حتى الهاتف الخليوي. ويقول عاطف شميم: "نحن في البداية، وهذا مجرد دليل على نجاح المفهوم". ولكن من خلال إنتاج الملايين من أجهزة الاستشعار ذات الموجات الصغيرة، "سنتمكن بعد ذلك من تحسين إنتاج الكهرباء العالمي"، كما يأمل. خطوة أخرى نحو الاستقلال عن الوقود الأحفوري.
مرحبًا يا شباب، إذا نجح هذا الأمر حقًا (الاستدامة؟) ولم يكن تنفيذه مكلفًا للغاية، فستكون ثورة صناعية جديدة!
(وأقل بثلاث مرات من الطاقة النووية المطفأة)
