جهاز جديد يمكنه رفع كفاءة الخلايا الشمسية إلى 80%!

تقنية جديدة من جامعة Rice نستطيع من خلالها استخدام أنابيب الكربون النانوية المتواضعة، لصنع خلايا شمسية أكثر كفاءة.

لجعل هذا الأمر ممكنًا، صمم علماء من الجامعة مصفوفة من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار، تقوم بتوجيه الأشعة تحت الحمراء، وبالتالي زيادة كفاءة الخلايا الشمسية بشكل كبير.

وقد أشرف على هذه التقنية العالمان Gururaj Naik و Junichiro Kono بمدرسة براون للهندسة بالجامعة. وقد نُشِرَ عملهما بدورية ACS Photonics.

هذا الجهاز يُعد بمثابة باعث حراري زائدي المقطع، حيث يمكنه أن يمتص الحرارة الشديدة، التي يمكنها أن تتشتت وتنتشر في الغلاف الجوي، ثم ضغطها في نطاق ترددي ضيق، وإشعاعها مرة أخرى كضوء يمكن تحويله إلى كهرباء.

وقد اعتمدت صناعة هذا الجهاز على اكتشاف قام به نفس فريق العلماء، ففي عام 2016 تمكن الفريق من العثور على طريقة بسيطة لتصنيع رقاقة متجانسة وعالية الدقة باستخدام الأنابيب النانوية، وقد أدى هذا الاكتشاف إلى أن يفكر العلماء في استخدام الرقاقة لتوجيه الفوتونات الحرارية.

الفوتونات الحرارية هي مجرد فوتونات تنبعث من جسم ساخن، فإذا نظرت إلى جسم ساخن باستخدام كاميرا حرارية، سترى أن الجسم يتوهج، وهذا لأن الكاميرا تلتقط هذه الفوتونات المثارة حراريًا.

إن الأشعة تحت الحمراء هي أحد مكونات الضوء الصادر من الشمس التي تزود كوكبنا بالحرارة، ولكنها تمثل جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي. مشكلة الإشعاع الحراري أن نطاقه عريض حيث أن له طول موجي كبير، في حين أن تحويل الضوء إلى كهرباء في الخلايا الشمسية لا يكون فعالًا إلا إذا كان الإشعاع في نطاق ضيق، لهذا لا نستفيد من الإشعاع الحراري في عملية إنتاج الكهرباء.

لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية، كان لابد من الإستفادة من الإشعاع الحراري المفقود، وذلك عن طريق ضغط الفوتونات الحرارية ذات النطاق العريض إلى نطاق ضيق، وهو ما مثل تحدي كبير للعلماء.

لضغط الفوتونات الحرارية إلى نطاق ضيق، استخدم العلماء رقائق الأنابيب النانوية، والتي سمحت لهم بعزل الفوتونات الحرارية -والتي كانت تهدر في الأحوال العادية- ثم امتصاصها وتحويلها إلى فوتونات ضيقة النطاق، يمكن إشعاعها مرة أخرى كضوء، ثم استخدام الضوء في إنتاج الكهرباء.

يمكننا أن نتخيل مدى أهمية هذه التقنية، والتي تعد بمثابة طفرة في مجال إنتاج الطاقة، فإذا نظرنا إلى إنتاج الطاقة في الصناعة سنجد أن 20% من الطاقة المنتجة يهدر في صورة إشعاع حراري لا يُستفاد منه، هذه الطاقة المهدرة تكفي لإمداد ولاية تكساس بالكهرباء لمدة ثلاث سنوات!

ومن ناحية أخرى فإن كفاءة تحويل الطاقة للوسائل المتبعة حاليًا في الحصول على الطاقة لا تتعدى 50%، لكن باستخدام هذا الجهاز في الخلايا الشمسية يمكننا رفع كفاءة تحويل الطاقة بها من 22% إلى 80% وهو شئ غير مسبوق!

بلا شك، فإن هذه التقنية تعد طفرة كبيرة، وسيكون لها تطبيقات كثيرة في الأجهزة التي تعتمد على الحرارة في توليد الكهرباء.

المصدر: Phys.org

يذكر أن أول تسريب للمواد المشعة كان سنة 2011 في فوكوشيما باليابان. وفي أيلول من عام 2017، انتقلت سحابة مشعة إلى مختلف أنحاء أوروبا.

تم نشر دراسة مؤخرا تحلل أكثر من 1300 قياس من جميع أنحاء أوروبا ومناطق أخرى من العالم لمعرفة سبب هذا الحادث. وكانت النتيجة غير مرتبطة بالتفاعلات، بل نتيجة لحادث في مصنع لإعادة المعالجة النووية.

ويصعب تحديد المصدر الدقيق لحادثة النشاط الإشعاعي، ولكن البيانات تشير إلى موقع في الأورال الجنوبية. وهي نفسها المنطقة التي تتواجد فيها المنشأة النووية الروسية ماجاك. ولكنها لم تسبب أية مخاطر صحية للسكان الأوروبيين.

من بين الخبراء الـ 70 من جميع أنحاء أوروبا الذين ساهموا ببيانات وخبراتهم في الدراسة الحالية نذكر الدكتور ديتر هاينز-Dieter Hainz مع بول ساي-Paul Saey – معهد الفيزياء الذرية ودون الذرية في TU Wien (فيينا). وتولى الدكتور جورج شتاينهاوزر-Georg Steinhauser – جامعة هانوفر – إلى جانب الدكتور أوليفييه ماسون-Olivier Masson – معهد الحماية الإشعاعية والضمانات النووية في فرنسا – مهمة تقييم البيانات. وقد

نشر الفريق نتائج الدراسة في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

كميات غير عادية من الروثنيوم

يقول جورج شتاينهاوزر:

“قمنا بقياس مادة روثينيوم 106 المشعة. وتشير القياسات إلى أنها أكبر إطلاق للنشاط الإشعاعي من محطة مدنية لإعادة المعالجة”.

وفي خريف عام 2017، تم قياس سحابة من مادة روثنيوم 106 في العديد من البلدان الأوروبية. بقيم تصل قدرتها القصوية 176 ملليبكريل لكل متر مكعب من الهواء. وكانت القيم أعلى بمئة مرة من التركيزات الكلية في أوروبا بعد حادثة فوكوشيما.

ويذكر أن نصف عمر النظائر المشعة هو 374 يوماً.

يعتبر هذا التسريب غير عادي، فحقيقة عدم وجود أي مواد مشعة غير مادة الروثينيوم هو مؤشر واضح على أن المصدر لا بد أن يكون مصنعاً لإعادة المعالجة النووية. وكان النطاق الجغرافي لسحابة روثنيوم 106 ملحوظا أيضا، حيث تم قياس أجزاء كبيرة في كل من أوروبا الوسطى أوروبا الشرقية، آسيا وشبه الجزيرة العربية بل وحتى منطقة البحر الكاريبي. وجمعت البيانات عن طريف شبكة دولية غير رسمية تضم جميع محطات القياس الأوروبية تقريبا. وبلغ مجموع المحطات المشاركة 176 محطة قياس من 29 بلدا.

كما تقوم الوكالة النمساوية للصحة والسلامة الغذائية بتشغيل هذه المحطات أيضا، بما في ذلك مرصد جبال الألب في سونبليك-Sonnblick  على ارتفاع 3106 أمتار فوق سطح البحر.

 لا وجود لأية مخاطر صحية

وبالرغم من كون الحادثة غير عادية، فإن تركيز المواد المشعة لم يصل إلى مستويات قد تؤذي صحة البشر في أي مكان من أوروبا. ومن خلال تحليل البيانات، يمكن استخلاص ما يتراوح مجموعه بين 250 و 400 تيرابيكريل من روثينيوم 106. ولم تضطلع أي دولة حتى اليوم بالمسؤولية عن هذا الإطلاق الكبير لمادة الروثينيوم في خريف عام 2017.

ويشير تقييم نمط توزيع التركيز ونمذجة الغلاف الجوي إلى وجود موقع تسريب في جنوب جبال الأورال. وهو المكان الذي تقع فيه المنشأة النووية الروسية ماجاك. وكانت محطة إعادة المعالجة الروسية بالفعل مصدرا لثاني أكبر عملية تسريب نووي في التاريخ وذلك في أيلول من سنة 1957، أي بعد كارثة تشيرنوبيل. وفي ذلك الوقت، انفجر صهريج يحتوي على نفايات سائلة من البلوتونيوم، مما تسبب في تلوث واسع النطاق للمنطقة.

وحدد أوليفييه ماسون وجورج شتاينهاوزر تاريخ التسريب إلى ما بين 25 أيلول 2017 في الساعة السادسة مساءا و 26 أيلول ظهراً من السنة ذاتها. أي بعد 60 عاماً تقريبا من حادث عام 1957.

يقول البروفسور ستاينهاوزر:

“ولكن هذه المرة، وقع الحادث في فترة قصيرة. واستطعنا أن نبرهن أن الحادث وقع خلال مرحلة معالجة عناصر الوقود المستهلك.”

“وعلى الرغم من أنه لا يوجد حاليا بيان رسمي إلا أنه لدينا فكرة جيدة جدا عما كان يمكن أن يحدث”.

على عكس حوادث تشيرنوبيل وفوكوشيما التي استمرت لأيام.

المصدر:

Science Daily

لا تنسَ تقييم المقال 🙂