نجح باحثون في توليد الكهرباء النظيفة من الطاقة الحرارية المهدرة عبر طريقة مبتكرة تكسر أحد القوانين الرئيسة في مجال الفيزياء الحرارية، وفق متابعات القطاع لدى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).

واعتمد الباحثون في تقنيتهم على جهاز كهروضوئي حراري في حجم يد الإنسان، استطاع تجاوز حد الفراغ الذي يفرضه قانون بلانك (Planck) للإشعاع الحراري، وهو أحد قوانين الفيزياء الرئيسة؛ محققًا بذلك كثافة طاقة تزيد على نظيرتها المتحققة من الأجهزة المماثلة التقليدية.

ويُزود الجهاز بفاصل زجاجي عازل وشفاف للأشعة تحت الحمراء يتيح نقل الطاقة الحرارية بكفاءة؛ ما يؤدي إلى زيادة كبيرة في توليد الكهرباء النظيفة.

وبمقدور تلك التقنية التأثير بشكل كبير في الصناعات التحويلية من خلال تمكين توليد الكهرباء النظيفة دون الحاجة إلى مصادر ذات درجات حرارة عالية أو مواد باهظة الثمن؛ كما تتيح التقنية حلًا لتخزين الطاقة والحد من الانبعاثات الكربونية وإنتاج الطاقة الحرارية من مصادر الطاقة الحرارية الأرضية والنووية والطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم.

ثورة توليد الكهرباء

من المرجّح أن يُشعِل الجهاز الجديد الذي طوّره فريق من مهندسي الطاقة الميكانيكية وعلماء المواد في جامعة كولورادو بولدر الأميركية ثورةً في كفاءة توليد الطاقة؛ لقدرته الفائقة على تحويل الإشعاع الحراري إلى طاقة كهربائية على نحو أكثر كفاءة من أي وقت مضى.

وقال البروفيسور المساعد لونغي كوي، الذي قاد فريق البحث: "ثلثا الكهرباء التي نستعملها تُحول إلى حرارة، ولك أن تفكر في تخزين الطاقة وتوليد الكهرباء النظيفة من مصادر غير أحفورية".

وأوضح كوي: "بمقدورنا أن نسترد بعضًا من الطاقة الحرارية المهدَرة ونستعملها لإنتاج الكهرباء النظيفة"، في بيان حصلت عليه منصة الطاقة المتخصصة.

وتُعَد أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية التقليدية، التي تحوّل الحرارة إلى كهرباء، مقيدة بقانون بلانك للإشعاع الحراري.

وأوضح كوي: "قانون بلانك، وهو أحد أكثر القوانين أهمية في الفيزياء الحرارية؛ يضع قيدًا على الطاقة الحرارية المتاحة التي يمكن توليدها من مصدر حرارة مرتفع في أي درجة حرارة معينة".

كثافة طاقة عالية وفجوة فراغ صفرية

حقق الجهاز الذي ابتكره فريق الباحثين في جامعة كولورادو بولدر كثافة طاقة أعلى من أي معدل سابق؛ ما يعدل التطبيق العملي لقانون بلانك.

وقال البروفيسور المساعد لونغي كوي: "عبر تصميم جهاز طاقة كهروضوئية مضغوط وفريد يمكن أن يناسب حجم يد الإنسان، نجح الباحثون في التغلب على حدود الفجوة الفراغية التي يعرفها قانون بلانك، ومضاعفة كثافة الطاقة الكهربائية الناتجة المولدة في السابق بوساطة تصميمات الأجهزة المماثلة التقليدية".

والفجوة الفراغية هي منطقة خالية تمامًا من الجسيمات والغازات والمواد الأخرى.

وتعتمد أجهزة الطاقة الحرارية الكهروضوئية التقليدية عادةً على فجوة يملؤها الفراغ أو الغاز بين مصدر الحرارة والخلية الكهروضوئية؛ ومن الممكن أن تؤدي تلك الفجوة إلى هَدْر كبير في الطاقة، وخفض الكفاءة الإجمالية للجهاز.

لكن تغلب فريق البحث على هذا القيد عبر تصميم جهاز طاقة كهروضوئية حرارية يتيح حلًا دون وجود الفجوة الفراغية؛ إذ ينهي التصميم الابتكاري للجهاز الجديد الحاجة إلى مساحة يملؤها الفراغ أو الغاز بين المصدر الحراري والخلية الكهروضوئية، وفق معلومات اطلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.

فاصل زجاجي

يستعمل الجهاز الجديد فاصلًا زجاجيًا، وهو شفاف للأشعة تحت الحمراء وعازل، ولديه القدرة على نقل أكثر كفاءة للطاقة الحرارية، ويؤدي إلى زيادة كبيرة في إنتاج الطاقة.

وقال لونغي كوي: "ويخلق هذا قناة ذات كثافة طاقة عالية تسمح للموجات الحرارية بالانتقال عبر الجهاز دون فقدان قوتها؛ ما يحسن بصورة كبيرة من توليد الكهرباء النظيفة".

وتجعل تلك الخصائص الجهاز الجديد مختلفًا عن الطرق التقليدية السابقة التي تتطلب عادةً درجات حرارة مرتفعة لتحقيق إنتاجية كهرباء مرتفعة.

مواد أخرى

يُعد استعمال المواد المتاحة بسهولة وغير المكلفة نسبيًا، مثل الزجاج، جانبًا آخر بارزًا للدراسة البحثية المذكورة؛ كما أوضح الباحثون أن هناك موادَّ أخرى ربما تعزز كثافة الطاقة لهذا الجهاز بواقع 20 مرة تقريبًا.

وأوضح لونغي كوي: "سابقًا حينما أراد الناس أن يعززوا كثافة الطاقة، كان لزامًا عليهم أن يرفعوا درجات الحرارة، ودعنا نقول إن تلك الزيادة كانت تتراوح من 1500 درجة مئوية إلى 2000 درجة مئوية، بل أحيانًا بمعدلات أعلى؛ ما يصبح في النهاية غير آمن بالنسبة لنظام الطاقة بأكمله".

وتابع: "وحاليًا بمقدورنا العمل في درجات حرارة منخفضة تتوافق مع معظم العمليات الصناعية، وكل ذلك مع مواصلة توليد الكهرباء المماثلة لما كان عليه الحال من قبل".

وواصل: "يعمل جهازنا عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية؛ وينتج طاقة تعادل 1400 درجة في أجهزة الطاقة الكهروضوئية الحرارية المدمجة بالفجوات الموجودة"، وفق تصريحات رصدتها منصة الطاقة المتخصصة.

ومن الممكن أن يكون لتلك الكفاءة المتزايدة في توليد الكهرباء تأثير عميق في مجموعة متنوعة من الصناعات، بما في ذلك التصنيع وإنتاج الطاقة والنقل.

فلدى تلك التقنية القدرة على تحويل العمليات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية، مثل إنتاج الزجاج والصلب والأسمنت، باستعمال كهرباء نظيفة ورخيصة التكلفة.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

المصدر: