التصنيف: هندسة

تعريف التصوير الطبي

التصوير الطبي هو مجموعة من التقنيات التي تستخدم لعرض جسم الإنسان الداخلي من أجل تشخيص الحالات الطبية أو مراقبتها أو علاجها. كما أنها تعد من أهم المجالات العملية ضمن الهندسة الطبية.

للتصوير الطبي عدد كبير من الأنواع ، يتحدد كل نوع بحسب الطريقة المعتمدة في التصوير وأيضًا بحسب الغرض من التصوير. تعطي كل طريقة نوع معين من المعلومات الطبية حول المنطقة المدروسة. [1]

أهم أنواع طرق التصوير الطبي هي:

• «الأشعة السينية – X-ray».
• «الطبقي المحوري -CT».
• «الرنين المغناطيسي – MRI».
• «الأمواج فوق الصوتية – Ultrasounds».
• «التصوير النووي الطبي – Medical Nuclear Imaging ».

الأشعة السينية – X-ray

تعد من أولى طرق التصوير الطبي وتستخدم لتصوير العظام بشكل أساسي، وتعطي صورة ثنائية البعد. تطورت الآشعة السينية مع مرور الزمن للحصول على وظائف أكثر مثل الوظائف العلاجية والتشخيصية.[2]

أنواع التصوير بالأشعة السينية:

الفلورسكوبي – Fluoroscopy

يستخدم حزمة مستمرة من الأشعة السينية لمراقبة المريض أثناء إجراء بعض العمليات مثل زراعة الدعامات أو الناظمات القلبية. ولكنها قد تسبب زيادة لجرعة الأشعة التي يتلقاها المريض، مما قد يسبب ضرر للمريض على المدى الطويل.

الماموغرافي – Mammography

يستخدم لتشخيص سرطان الثدي وذلك عن طريق تعريض الثدي لحزمة أشعة مركزة في منطقة معينة وضعيفة الشدة بنفس الوقت.

التصوير البانورامي – Panoramic X-ray

تستخدم لتوليد صورة بانورامية للفكين العلوي والسفلي مما يساعد على دراسة وضع الأسنان التشريحي .[2]

الطبقي المحوري -CT

تستخدم هذه الطريقة الأشعة السينية ولكن يتحرك المنبع بشكل دائري حول المريض وعلى طول المنطقة المدروسة. وبذلك نحصل على صورة ثلاثية الأبعاد. ويستخدم الطبقي المحوري لدراسة الدماغ والأورام السرطانية وحتى حالات الكورونا.

الرنين المغناطيسي – MRI

تعتمد هذه الطريقة على استخدام حقل مغناطيسي عالي الشدة لإعطاء صور ثلاثية الأبعاد للجسم. بخلاف الطبقي المحوري، تظهر صور الرنين المغناطيسي تفاصيل النسيج بشكل دقيق جدًا، مما يسمح بدراسته بشكل موسًع. وبالتالي يعطي الرنين المغناطيسي دقة أكبر في تشخيص حالات السرطان في بداياتها قبل أن تصبح خطيرة. كما يسمح برؤية دقيقة للأوعية الدموية وحتى المحيط الداخلي للعين والأذن الداخلية.[3]

الأمواج فوق الصوتية – Ultrasounds

تستخدم هذه التقنية الأمواج الصوتية ذات الترددات العالية من رتبة الميغاهيرتز، حيث تقوم كريستالات خاصة بإصدار هذه الأمواج وبعدها تستقبل الأمواج المنعكسة عن الأنسجة الداخلية للجسم، وتقوم بتشكيل الصورة بناءًا عليها.

وتستخدم الأمواج فوق الصوتية من أجل عدة مهام ومنها [4]:

• تصوير البطن والكبد والكلى.
• تصوير فوري وآني للأجنة عند الحوامل.
• قياس هشاشة العظام.
• تصوير أنسجة الصدر.
• مراقبة آنية لضربات قلب الجنين.
• قياس تدفق الدم.
• تصوير ومراقبة القلب.

التصوير النووي الطبي – Medical Nuclear Imaging

يستعمل التصوير النووي الطبي في الأغراض التشخيصية والعلاجية، وتستخدم هذه التقنية الخصائص النووية للمواد المشعة في توليد الصور. تقدم الصور النووية معلومات مهمة حول حالات الأورام السرطانية وفي مجال علم الأعصاب، وتعطي معلومات حول أي نشاط نسيجي غير طبيعي متعلق بمرض معين.[5]

وتستخدم كاميرات غاما وتقنيات «التصوير المقطعي بالإصدار البوزتروني -PET» و«التصوير المقطعي وحيد الفوتون -SPECT».

المصادر

[1]-ScienceDirect
[2]-MedlinePlus
[3]-NIBIB
[4]-FDA
[5]-ClevelandClinic

طاقة الرياح أُنشأت بشكل ناجح في معظم أنظمة إنتاج الطاقة الكهربائية حول العالم، إلا أن إنشاء هذه المصادر الجديدة؛ والتكنولوجيا الحديثة تحتاج لدعم كبير للأبحاث الموجهة في هذا الصدد. لا يمكن القول أن طاقة الرياح تؤسس مصدر طاقة حديثة، بحيث شهدت تطور مهم منذ القرن العشرين، وفي حالة الاستخدامات الكهربائية التي بدأت منذ منتصف القرن المنصرم. هذه النتائج تؤكد وجود معرفة و خبرات متراكمة أينعت ثمارها في العقد الماضي.[1]

مبدأ الطاقة لعنفات الرياح

تتكون الرياح من جزيئات صغيرة تحمل كلًا منها طاقة حركية نُعبر عنها باستخدام معادلة الطاقة الحركية:

m= الكتلة، v= السرعة.
عندما يتعلق الأمر بحساب الطاقة الحركية للرياح، يصبح من المستحيل حساب الطاقة الحركية لكل جزء بسرب الرياح لوحده. لهذا يُعبر عن كتلة الجزيئات كمقدار موحد متجانس من الكتلة التي تسري خلال نظام معين بمعدل وحدة زمنية معينة، فيصبح التعبير عن مقدار الطاقة الحركية للرياح بالشكل التالي:

A= مساحة مقطع الريش، ρ= كثافة الهواء، V= حجم الهواء، v= سرعة الهواء.
ومن هنا يصبح لدينا مقدار الطاقة التي يمكن الاستفادة منها وتحويلها إلى شكل آخر للطاقة عبر المنظومة المراد استخدامها.

إن نظام تحويل الطاقة لا يمكن أن يستفيد من الطاقة الحركية التي يستقبلها بكفاءة ١٠٠%، بسبب الفواقد في الطاقة التي يكون سببها ارتطام جزيئات الهواء بمراوح المنظومة من جهة، وذهاب جزء آخر من طاقتها التي تحملها بتدوير المراوح من جهة أخرى.

طبقًا لمبدأ ألبرت بيتز الذي ينص أن أفضل كفاءة من الممكن الوصول لها للاستفادة من الطاقة الحركية للرياح تعادل ٥٩%. ومن هنا يأتي السؤال عن كيفية الوصول لهذه الكفاءة.
من معادلة الطاقة السابق ذكرها، يمكن الاستدلال أنه كلما ازدادت سرعة الرياح، ازدادت تِبعًا الكفاءة. وبالتالي يمكننا القول بأن معرفة العوامل التي تحكم سرعة الرياح، تؤسس الأطر الأساسية التي يجب الاعتماد عليها لبناء منظومات طاقة الرياح.

أول وأهم هذه العوامل هو الموقع الجيد! إذ يجب أن يكون مرتفعًا بالشكل المطلوب، وفي منطقة مفتوحة؛ فلا يصح وجود أجسام عالية تعيق الرياح وتسبب ظاهرة القص الهوائي.

الديناميكا الهوائية لعنفات الرياح

خلافًا لمراوح طواحين الهواء المتعارف عليها، والتي اعتمدت على قوة الرياح لدفع المراوح وإجبارها على الحركة أوتوماتيكيًا، بنيت العنفات الحديثة على مفاهيم أكثر تعقيد بناءًا على نظريات الديناميكا الهوائية وميكانيكا الموائع الأحدث.
أحد مبادئ الديناميكا الهوائية الأساسية المستخدمة في بناء الطائرات، يُستخدم أيضًا في تسيير عنفات الرياح. والذي يعتمد على مبدأ تبادل رئيسي بين قوتين تتحكمان في تسيير الأجسام تحت تأثير الهواء. وهما:

• قوة الرفع: والتي تؤثر على الجسم المتحرك بشكلٍ عموديٍّ على اتجاه سريان الهواء.
• قوة الجر: والتي تؤثر على الجسم المتحرك بشكلٍ موازٍ لسريان الهواء.

ولأن الأساس بالتصميم الحديث لريش العنفات الحديثة اُسْتُوحي من تصميم أجنحة الطائرة، فسنرى بأن مفهوم السطح الإنسيابي الهوائي المقوس «Airfoil» في أجنحة الطائرة تم تطبيقه على ريش العنفات الحديثة على حدٍ سواء.
نرى أن سطح أحد جانبي الريش يكون مقوسًا، خلافًا للجانب الآخر الذي يكون بالعادة مسطّحًا نسبيًا. يساعد وجود هذا التصميم بشكل خاص على انتقال الهواء مرورًا بالجانب المقوس الموازي لاتجاه هبوب الرياح من الريشة، فيصل إلى نهاية الريشة كي يلحق بالهواء الساري خلال الجانب المسطح المعاكس لاتجاه الرياح. ينتج عن سريان الهواء السريع، تولد منطقة ضغط منخفض أمام الجانب المقوس، والتي تعمل على رفع الريشة لتدور وفق اتجاه الرياح. في الجهة المعاكسة لاتجاه الرياح من الريشة، يسري الهواء بسرعة أبطئ، مولدًا بذلك منطقة ضغط عالٍ تجر الريشة، وتبطئ سرعتها.[2]

أنواع عنفات الرياح

هنالك نوعان من عنفات الرياح المستخدمة حاليًا، وتصنف بحسب اتجاه دوران عمود الإدارة إلى: عنفات ذات محور أفقي، وعنفات ذات محور عمودي.
بالنسبة لأحجامها فهي تختلف وتتنوع، فالعنفات الصغرى تُستخدم لتشغيل المنازل أو المؤسسات الصغرى التي تتطلب طاقة أقل من ١٠٠ كيلو واط. أما الأحجام التجارية الكبرى، فقد تصل الطاقة التي يمكن أن تنتجها إلى خمسة مليون واط، أو خمسة ميجا واط. العنفات الكبرى تجمع بعض الأحيان معًا لتشكل مزارع رياح تزود الطاقة على مستوى واسع.[3]

عنفات المحور الأفقي «HAWT»

معظم أجهزة الرياح المستخدمة اليوم تقع ضمن هذا التصنيف، هذه العنفات لديها ريش تشبه مراوح طرد الهواء في الطائرة. يوازي طول التصميم القياسي لها طول مبنى مكون من عشرين طابق، ويحتوي على ثلاثة ريش أساسية موازية للأرض وتدور ضمن محيط يصل إلى مائتين قدم. يتجاوز طول مراوح أكبر تصميم يقع ضمن هذا النوع من العنفات طول ملعب كرة قدم، وصمم بهذا الطول والعرض حتى يتم الاستفادة من أكبر قدر من الرياح.[3]

عنفات المحور العمودي «VAWT»

لدى هذه النوعية مراوح تمتد من الأعلى إلى الأسفل، والنوع الأكثر شيوعًا المسمى بعنفة رياح داريوس يشبه آلة خفق بيض عملاقة. يصل طول هذه العنفات إلى مائة قدم، وعرض خمسين قدم. تشغل عنفات المحور العمودي نسبة صغيرة من المنظومات المستخدمة في الوقت الحالي.[3]

شبكة الدوار لتقوية الرياح «The Wind Amplifier Rotor Platform»

يعتبر نوع مختلف وآخر من منظومات الرياح، مصمم خصيصًا ليكون أكثر فاعلية ويشغل مساحة أقل من المساحة التي تشغلها منظومات الرياح الأخرى. الوارب «WARP» كما تم اختصار مسماه، لا يتطلب عنفات كبيرة الحجم، بدلًا عنها؛ يستخدم عنفات تشبه تصميمها تصميم شفاطات الهواء أو مجموعة من عجلات السيارات المكدسة فوق بعضها. كل جزء لديه زوج من العنفات الصغرى عالية القدرة يتم تركيبها داخل إطار مقعر. يسحب سطح الإطار الرياح نحو العنفات مزودًا إياها بسرعة أعلى قد تصل إلى ٥٠ %.الشركة التي صممت وارب والمدعوة بإينكو«ENCO»، تخطط لتسويق تصميمها الحديث هذا إلى منصات الحفر البحرية، وأنظمة الاتصالات اللاسلكية.[3]

محطات الرياح للطاقة

تتكون محطات الرياح، أو ما تعرف باسم مزارع الرياح، من مجموعات من منظومات الرياح المستخدمة لإنتاج الطاقة الكهربائية. لدى مزرعة الرياح عشرات الوحدات موزعة على نطاق واسع. توجد أكبر مزرعة رياح في تكساس، وتتكون من 421 عنفة تولد طاقة لتغطي ٢٢٠ ألف منزل في السنة.[3]

مكونات منظومة الرياح للطاقة

١- البرج

البرج مصمم ليحمل الجزء الدوار والقمرة لعنفة الرياح إلى الارتفاع المطلوب. الأنواع الرئيسية للأبراج المستخدمة في العنفات الحديثة هي: أبراج شبكية، وأبراج فولاذية أُحادية، والأبراج المدعمة بالكابلات.[3]

1. الأبراج الشبكية «Lattice Tower»: مصنوعة من أعمدة الفولاذ المجمعة معًا بشكل بنية شبكية، تصميمها شبيه بتصميم أبراج نقل الكهرباء العادية. هذه الأبراج تستخدم نصف المواد المطلوبة لتصنيع الأبراج الفولاذية الأُحادية، وبالتالي تعتبر أخف وزنًا وأقل تكلفة. أرجل البرج تنفرج بشكل واسع، موزعة بذلك الأحمال عليها بالتساوي.[3]
2. الأبراج الفولاذية الأحادية «Turbular Steel Tower»: مصنوعة من عمود مخروطي يزيد قطره تدريجيًا نحو القاعدة، وتوفر مساحة مقطعه الدائرية مقاومة لي عالية. يتراوح طوله من عشرة إلى عشرين متر.[3]
3. الأبراج المدعمة بالكابلات «Guyed Tower»: مناسبة للمنظومات الصغيرة، بحيث يتم تثبيت العنفة فوق أسلاك مشدودة. تتميز هذه الأبراج بوزنها الخفيف، وتكلفتها المنخفضة نسبيًا.[3]

٢- الجزء الدوار «Rotor»

يعتبر أهم مكونات عنفة الهواء «Wind Turbine»، ودوره يتلخص باستقبال الطاقة الحركية من الرياح وتحويلها إلى عمود الإدارة«Shaft». يتكون الجزء الدوار من:

• ريش «Blades»
• مشبك«Hub»
• عمود إدارة«Shaft» مصقولا من الفولاذ الصلب
• محامل«Bearings»، وأجزاء داخلية أخرى.[3]

الريش «Blades»

الريش كما ذكر سابقًا، لديها أجزاء ذات سطوح انسيابية مقوسة. بالنسبة لعدد ريش العنفات المستخدمة حاليًا في معظم المنظومات لا يتجاوز ثلاثة ريش للعنفة الواحدة، إلا أن بعض عنفات الهواء الصغيرة المستخدمة في شحن البطاريات، لديها ريش أكثر قد تصل إلى ستة بسبب الحاجة لتشغيلها الآلي في سرعات رياح منخفضة. المواد المستخدمة في صناعة الريش تتفاوت بحسب حجم المنظومة، فمثلًا الريش الخشبية والمعدنية تُستخدم للمنظومات الصغيرة. بينما تستخدم معظم المنظومات الكبيرة والتجارية ريش مصنوعة من الألياف الزجاجية متعددة الطبقات.[3]

المشبك «Hub»

ريش الجزء الدوار مرتبطة بالمشبك، والذي يتكون من براغي، ومحامل الريش، ونظام تأرجح«Pitch System». يحتوي المشبك على نقاط لتثبيت الريش والوصلات الميكانيكية المصممة للتحكم بانحدار الريش. وهو أحد أهم مكونات الجزء الدوار، ولهذا يُصمم بمواصفات متانة عالية، فالمادة المستخدمة في تصنيعه هي صفائح حديد الزهر.[3]

المحامل «Bearings»

عمود الإدارة الرئيسي للعنفة يمر خلال المحامل الرئيسية. المحامل الكروية 《Roller Bearings》 هي المستخدمة والأكثر شيوعا، لقدرتها على تحمل الأخطاء البسيطة الناتجة من انحراف العمود مانعة بذلك حدوث زيادة بالأحمال الجانبية.[3]

٣- صندوق تروس السرعات «Gear Box»

يعتبر جزئية مهمة في عملية تحويل الطاقة في عنفة الرياح. تتراوح سرعة الجزء الدوار لعنفة الرياح بين ٣٠ إلى ٥٠ دورة/ دقيقة. بينما قد تصل السرعة القصوى للمولد إلى ١٥٠٠ دورة/ الدقيقة، هنا يأتي دور صندوق السرعات للتلاعب بالسرعة طبقًا لمتطلبات المنظومة من الطاقة. مصمم ليعمل بسلاسة حتى تحت الظروف البيئية السيئة.[3]

تتحقق السرعة المطلوبة في العنفات الصغير عبر تطبيق مرحلتين، أو ثلاث مراحل لمنظومة التروس. أما في العنفات الأكبر، يتم استخدام تجميعة من التروس الكوكبية«Planetary Gears» والعادية معًا.[3]

٤- المولد «Generator»

يعتبر المولد أحد أهم مكونات نظام تحويل طاقة الرياح. بعكس المولدات المعتاد استخدامها في أنظمة تحويل الطاقة الأخرى، يعمل مولد عنفة الرياح تحت مستويات طاقة متقلبة، بسبب تفاوت سرعة الرياح.[3]
عنفات الرياح الصغيرة مزودة بمولد ذو تيار مستمر تصل قدرته إلى واحد كيلو واط، بينما الأنظمة الكبرى فتستخدم مولدات التيار المتردد ذوات الطور الواحد، أو الثلاثة أطوار. محطات الرياح تستخدم مولدات ذات ثلاثة أطوار، وهذه المولدات قد تكون في بعض الأحيان مولدات تزامنية.[3]

المصادر:

1. Future of wind: Deployment investment, technology, grid integration and socio-economic aspects
2. wind-power
3. Wind Energy Fundamentals ,Resource Analysis and Economics

تعريف الطباعة الحيوية

هي تقنية تشبه تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية ولكن باستخدام مواد حيوية خاصة بدلًا من  المواد البلاستيكية أو المعدنية. تقوم الطابعة الحيوية بإنشاء هيكل ثلاثي الأبعاد أولي من المواد الحيوية بشكل يشبه النسيج. وبعد انتهاء الطباعة، يخضع لعدة عمليات معالجة قبل الحصول على النسيج النهائي. كما تستخدم التقنية في الصناعات الدوائية. وتصل دقة الطباعة إلى حوالي 97%. [1]

كيف تعمل الطابعة الحيوية؟

تتألف العملية من ثلاث خطوات.

• الخطوة الأولى «ما قبل الطباعة – PreBioprinting»

أول خطوة في عملية الطباعة هي تشكيل نموذج ثلاثي الأبعاد للعضو أو النسيج المراد طباعته على برامج التصميم الحاسوبية. كما يتم تحديد المواد اللازمة لهذه العملية، فمثلًا تختلف المواد المستخدمة في إنتاج الصمام القلبي عن المواد المستخدمة في إنتاج النسيج العظمي. كما يمكن أخذ خزعة من جسم المريض من أجل إنتاج عضو يتوافق حيويًا مع جسمه. بالنسبة للصور ثلاثية الأبعاد، يتم أخذها أولًا باستخدام أجهزة التصوير الطبي «الطبقي المحوري – CT» أو «الرنين المغناطيسي – MRI» وبعدها تتم معالجة الشكل وتعديله باستخدام برامج خاصة.[2]

• الخطوة الثانية «الطباعة الحيوية – Bioprinting»

وهذه الخطوة التي تتم فيها الطباعة الفعلية، حيث يوضع الحبر الحيوي والمواد الخاصة ضمن الطابعة. المادة هي عبارة عن خليط من الخلايا الجذعية والحبر الحيوي. وعندما تبدأ الطابعة بالعمل، تقوم بترسيب المواد بشكل تراكمي على السقالة وتتابع العمل وفق النموذج الرقمي حتى الوصول للشكل النهائي.[2]

• الخطوة الثالثة «ما بعد الطباعة – PostBioprinting»

وتعد أهم خطوة في سير العملية، لأنها تؤمن الاستقرار الحيوي والميكانيكي للهيكل الذي تمت طباعته. للحفاظ على النسيج وعلى وظيفته الحيوية والبيولوجية، يجب أن يتحقق شرط التحفيز الكيميائي والفيزيائي. يؤمن هذا التحفيز الإشارات اللازمة للخلية لكي تتكاثر وتستشعر حدود السقالة فتنمو ضمنها.[2]

أنواع الطباعة الحيوية

• الطباعة المعتمدة على التدفق

هي الطريقة الأكثر شيوعًا للطباعة ثلاثية الأبعاد للعناصر البيولوجية. تعتمد هذه الطريقة على توزيع المواد بشكل تدفقي ومنفصل زمنياً، بحيث يتم تعديل درجة حرارة الوسط قبل إضافة كل طبقة. وتستخدم بشكل كبير في الصناعات الدوائية والأبحاث العلمية.[]

• الطباعة التي تعتمد على الحقن

تعتمد هذه الطريقة على مرحلتين، المرحلة الأولى هي تشكيل هيكل من المواد المغذية فقط ضمن السقالة، المرحلة الثانية فيتم فيها حقن الخلية مع الحبر الحيوي ضمن مفاصل معينة في الهيكل حيث سيبدأ نموها منها. تستخدم هذه الطريقة في إنتاج الجلد الصناعي وعمليات الطباعة التي تتطلب دقة عالية جدًا.

• الطباعة الحيوية باستخدام الليزر

تعتمد هذه الطريقة على ترسيب المواد الحيوية على السقالة بشكل حراري بعد امتصاص طاقة الليزر من قبل الحبر الحيوي ليترسب على سطح السقالة. وتستخدم هذه الطريقة في معالجة الأحماض النووية للخلايا، وأيضا طباعة بطانة الشريان الرئوي، ويمكن استخدامها في عمليات إنتاج خلايا سرطانية لأهداف بحثية.

المصادر

1. UBMbiomedicals
2. NCBI
3. MicroBenotes

ما هي هندسة النسيج الحيوي؟

تعد هندسة النسيج الحيوي أحد أهم فروع الهندسة الطبية. تستخدم هندسة النسيج الحيوي مجموعة طرق من العلوم الهندسية والخلايا الحية بالإضافة إلى علم المواد الحيوية وعلوم الكيمياء بهدف إنتاج أنسجة جديدة مشابهة للأنسجة التالفة لاستبدالها.

تعد قدرة الجسم على تجديد الأنسجة التالفة ضعيفة، ومن الممكن أن يحدث تلف أو فقدان أنسجة بسبب الأمراض أو الحوادث. في حال لم يتم إصلاح أو إزالة النسيج المتضرر، قد يمتد التلف إلى أنسجة أخرى، مما يؤدي إلى تفاقم الحالة. من هنا، جاءت أهمية هندسة النسيج الحيوي والتي تقوم على استخدام المواد الحيوية والخلايا الحية لإنتاج أنسجة وظيفية جديدة لإصلاح أو استبدال الأعضاء البشرية التالفة.

ما هو الهدف من الهندسة النسيجية الحيوية؟

تستخدم هندسة النسيج الحيوي بشكل رئيسي لإنتاج وتطوير نسج جديدة تستخدم لإصلاح أو استبدال النسج التالفة مثل أنسجة الغضاريف، وأنسجة القلب مثل الصمامات القلبية، وأنسجة البنكرياس المنتجة للأنسولين، والأنسجة الوعائية مثل الأوعية الدموية. وتستخدم أيضا لأغراض بحثية، يمكن الاستفادة منها لدراسة سلوك خلايا معينة. كما يمكن استخدامها لخلق بيئة نسيجية محاكية للجسم البشري لاختبار تأثير الأدوية عليها.

كيف تعمل هندسة النسيج الحيوي؟

الهدف من عملية هندسة النسج هو إنتاج نسيج ثلاثي الأبعاد. من أجل ذلك يتم أولًا زرع الخلايا والجزيئات الحيوية على هياكل تدعى بالسقالات.

 السقالات هي عبارة عن هياكل أو قوالب تشبه شكل النسيج الذي نريد إنتاجه، وهي نوعان, النوع الأول هو سقالات حيوية مصنوعة من جزء حقيقي من الجسم لكنه معالج كيميائيًا. والنوع الثاني صناعية وتكون مصنوعة من مواد خاصة متوافقة حيويًا ولا تسبب رفض مناعي كبير داخل الجسم الحي.

ينمو النسيج ضمن هذه السقالات وفي ظروف ملائمة، بحيث يأخذ نفس شكلها عند انتهاء النمو وبالتالي نحصل على النسيج المطلوب.[1]

ما هو نوع الخلايا المستخدم في هندسة النسيج الحيوي؟ وما هي الجزيئات الحيوية؟

تستخدم الخلايا الجذعية، وهي خلايا غير متمايزة، يمكنها التكاثر والتمايز إلى أي نوع من الخلايا كالخلايا العضلية أو العصبية، كما أن لها القدرة على التكاثر والتجدد باستمرار. لهذه الخلايا نوعان:

• الخلايا الجذعية الجنينية: وتوجد في بطانة المشيمة للجنين، وتتصف بالقدرة العالية على التكاثر والتمايز إلى أي نوع من الخلايا عدا خلايا المشيمة والأغشية المحيطة بالجنين.
• الخلايا الجذعية الناضجة: وتوجد في عدة مناطق من جسم الإنسان، وظيفتها تعويض الخلايا التالفة بشكل طبيعي بعد انتهاء العمر المحدد لها.[1]

بعد معالجة الخلايا وزرعها ضمن السقالات، يجب إضافة مواد خاصة لتحفيز الخلية على أداء وظائفها بشكل طبيعي كالانقسام وأخذ الأغذية من الوسط المغذي الخاص. وتسمى هذه المواد المضافة بالجزئيات الحيوية أو الحبر الحيوي.[3]

ما هي أهم تطبيقات هندسة النسج الحيوية؟

قام باحثون في «المعهد الوطني للهندسة الطبية والحيوية – NIBIB» بالعديد من التجارب والأبحاث ضمن هذا المجال، وأهمها:

• التحكم في الخلايا الجذعية من خلال البيئة المحيطة:

تم في هذه التجربة وضع الخلايا الجذعية ضمن بيئات فراغية مختلفة، وقد تبين اختلاف نوع الخلايا التي تحولت لها الخلايا الجذعية باختلاف المكان الذي وضعت فيه. أي أنه تم اكتشاف طريقة ميكانيكية-حيوية لتحديد تمايز الخلايا.

• زراعة كبد إنسان في أجسام الفئران:

قام باحثون بتطوير أنسجة كبد بشرية يمكن زراعتها في أجسام الفئران، بحيث يحافظ فأر التجارب على كبده الطبيعي. وبما أن الكبد الجديد يستطيع استقلاب الأدوية بشكل مماثل لكبد الإنسان، يمكن الاستفادة منه لاختبار الأدوية وكيفية استقلابها على الكبد البشري المزروع قبل توجيهها للبشر.

• صناعة وسط خاص للإبقاء على النسيج أثناء تطويره:

وجد الباحثون أن النسيج في أطواره الأولى لا يستطيع أخذ الغذاء من الشعيرات الدموية بسبب قلة سماكة وبالتالي يتلف النسيج بسبب انعدام التغذية، لذلك يجب أن يوضع النسيج في مراحله الأولى ضمن مادة هلامية مغذيّة طول فترة النمو في المختبر، وهذه المادة تختلف باختلاف نوع النسيج الذي نريد تطويره.[2]

المصادر:

[1]-Very Well Health
[2]-National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering
[3]-Massachusetts Institute of Technolog

تعود مساعي الإنسان للاستفادة من طاقة الرياح إلى العصور القديمة عندما حاول استخدامها للإبحار. بعدئِذ خدمت الرياح البشرية عبر تغذية الطواحين العملاقة بالطاقة التي استخدمت لطحن الحبوب، وتشغيل مضخات الماء. مرت هذه التقنية بمراحل تطور عديدة امتدت لعقود، لتصل إلى منظومتها الحديثة المعقدة. وسنتحدث هنا عن نبذة عن تاريخ طاقة الرياح.

كيف تتكون الرياح؟

الشمس هي المحرك الرئيسي المتحكم بنطاق واسع من تغيرات الأحوال الجوية للأرض. يتلقى خط الإستواء كميات كبيرة من الإشعاع الشمسي مقارنة بما يتلقاه القطبان الشمالي والجنوبي، مما ينتج عنه ارتفاع درجة حرارة سطح الأرض عند خط الاستواء، وبالتالي ارتفاع درجة حرارة الهواء الملامس له، فتقلّ كثافته ويرتفع نحو الأعلى مسبباً بانخفاض ضغط الهواء في الطبقات الدنيا. عكس هذا يحدث في المناطق القطبية، حيث تكون درجة حرارة الأرض منخفضة ممّا يؤدّي لانخفاض درجة حرارة الهواء الملامس له وارتفاع كثافته وهبوطه بالقرب من سطح الأرض، الأمر الذي يتسبب في ازدياد ضغطه وتحركه نحو المناطق الحارة المنخفضة الضغط الملامسة لسطح الأرض، بينما يأتي مكانه الهواء الساخن القليل الكثافة القادم من المناطق الاستوائية الحارّة.[1]

طاقة الرياح في التاريخ القديم

ثمة خلاف تاريخي حول بداية ظهور هذه الميكانيكية المستخدمة للرياح كمصدر طاقة. يرجح البعض بأنها ظهرت لأول مرة في بابل، حيث يعتقد أن الملك البابلي حمورابي خطط لاستخدامها في مشروع الري الموسع الذي كان يطمح إليه في القرن السابع عشر قبل الميلاد؛ والبعض الآخر يفترض بأنها ظهرت لأول مرة في الهند.[2]

طبقًا لما ورد في أرثاشاسترا – المخطوطة السنسكريتية التي كتبها كاوتيليا خلال القرن الرابع قبل الميلاد – عن إشارة إلى آلالات تدار عبر الرياح لتعمل على رفع المياه. عدا هذه المخطوطة، لم يتم إيجاد تسجيل دقيق يثبت وجود هذه التقنيات على أرض الواقع، أو دلائل محسوسة تؤكد ترجمتها إلى ميكانيكيات واقعية مستخدمة.[2]

بداية عصر الطواحين الهوائية

أقدم تسجيل تاريخي موثق لتصميم الطواحين الهوائية يعود إلى القرن الثاني قبل الميلاد. يشير إلى استخدام الفرس الطواحين الهوائية لطحن الحبوب خلال تلك الفترة، مستخدمين آلات رأسية المحور مزودة بأشرعة مصنوعة من حزم القصب، أو الخشب. كان حجر الطحن مرتبط بعمود رأسي، وتم ربط الأشرعة بالمركز باستخدام دعامات أفقية. حجم الأشرعة يحدد من خلال المواد المستخدمة في التصنيع، لكن عادة كانت أبعادها بين خمسة متر طولي، وتسعة متر ارتفاع.[2]

بحلول القرن الثالث عشر ميلادي، كانت المطاحن منتشرة في أوروبا. تبنى الفرنسيون التقنية في عام ١١٠٥ ميلادية، ولحقهم الإنجليز في عام ١١٩١ ميلادية. خلافًا لتصميم الفرس الرأسي، الطواحين الأوروبية كانت أفقية المحور، ذات بنية مزينة. بني البرج من الخشب، أو الطوب؛ وصممت مساحة مقطعه العرضي لتأخذ شكلًا دورانيًا، أو متعدد الأضلاع. كان يتم توجيه العضو الدوار يدويًا إلى اتجاه الرياح عبر تحريك الذيل، وبالمثل كان يتم حماية الطاحون من الرياح العاتية عبر إدارة العضو الدوار عكس اتجاه الرياح، أو إزالة القماش الذي يغطي العضو الدوار.[2]

ضخ الماء باستخدام الرياح

أتى بعدها الهولنديون بتصميم مستحدث من صنع المصمم «يان أدريانسن». أدخلت العديد من التحديثات للتصميم، وتم ابتكار العديد من الأنواع المختلفة، مثل: تياسكر، والطواحين الدخانية. أخذ تصميم المقطع العرضي للعضو الدوار شكل الجناح الحامل لرفع الكفاءة.
استخدمت هذه الطواحين بجانب طحن الحبوب استخدامات أخرى عديدة، كان منها: تجفيف الأراضي الرطبة.[2]
وصلت هذه التقنية إلى أميركا عام ١٧٠٠ ميلادية عبر المهاجرين الهولنديين. حينها ظهرت الطواحين المستخدمة لضخ الماء، والتي ما زالت تعتبر أحد أهم التطبيقات لطاقة الرياح.[2]

بداية تطور منظومة طاقة الرياح

ظهرت العنفات ذات المراوح المتعددة أميركية الصنع عام ١٨٠٠ ميلادية، مزودة بعضو دوار صغير بقطر يتراوح من متر إلى عدة أمتار.[2]
كان الغرض من هذه التقنية ضخ المياه من تحت سطح الأرض للاستخدامات الزراعية. أعطت هذه المضخات المائية بمراوحها المعدنية، وتصميمها الهندسي الفعال نتائج أفضل من سابقاتها من التقنيات المستخدمة في هذا المجال. وتباعًا، أُنشئت أكثر من ستة مليون وحدة في الولايات المتحدة مابين ١٨٥٠ و١٩٣٠ ميلادية.[2]

المولدات الكهربائية ومحطات طاقة الرياح

بدأ عصر المولدات الكهربائية التي تعمل بالرياح في وقت قريب إلى حدٍ ما من عام ١٩٠٠ ميلادية. بحيث صُنعت أول عنفة رياح حديثة لإنتاج الكهرباء في الدنمارك عام ١٨٩٠ ميلادية، وعملت على تزويد المناطق الريفية بالكهرباء.[2]

خلال الفترة نفسها، صُنع أول مولد كهربائي يعمل بالرياح في كليفلاند بولاية أوهايو، مستخدمًا لأول مرة صندوق تروس سرعات. عملت المنظومة على مد الطاقة لمدة عشرين عامًا.[2]
اُستخدمت العديد من الطرق الحديثة للتصميم الهندسي للعنفات خلال هذه الفترة. وتم تطوير العضو الدوار، وزعانف العنفات مما أدى إلى رفع الكفاءة، والفاعلية لهذه المنظومات الحديثة. وبحلول عام ١٩١٠م، زودت مئات من هذه المنظومات العديد من قرى الدنمارك بالطاقة.
بدأت التجارب البحثية تأخذ مجالًا أوسع، ونتيجةً لذلك أُنشئت محطات إنتاج الطاقة بالرياح في العديد من الدول، أبرزها: الولايات المتحدة، والدنمارك، وفرنسا، وألمانيا، والمملكة المتحدة.[2]

إلا أنه في السنوات اللاحقة ظهرت مصادر طاقة أكثر اقتصادية، وكفاءة مثل: الوقود الأحفوري، والطاقة النووية. فكانت المقارنة بين تكلفة إنتاج الكهرباء من هذه المحطات، ومن إنتاجها في محطات الرياح لا تصب في مصلحة الأخيرة.[2]
وبهذا تناقص الاهتمام بطاقة الرياح بحلول عام ١٩٧٠م.

العودة إلى طاقة الرياح

أجبرت أزمة النفط التي حدثت في عام ١٩٧٣م العلماء والمهندسين، وصناع القرار على إيجاد حلول بديلة بعدما تراءى لهم أن الاعتماد على النفط كمصدر طاقة رئيسي يترتب عليه تبعات على اقتصادهم بناءًا على سياساتهم المتبعة. وبات جليًا أن حدوث أي توتر سياسي، سيطوق توفر الوقود الأحفوري مما سيؤدي إلى ارتفاع أسعاره بشكل جنوني، فيصبحون بذلك تحت رحمة دول الأوبك. ومن جانب آخر، أدرك العالم أن الوقود الأحفوري مصيره الإنتهاء يومًا ما.

خيار الاعتماد على الطاقة النووية كان مصدر تساؤل كبير أيضًا، وذلك بسبب خطورة تداعياتها على البيئة والبشر على حد السواء. كل هذه العوامل أدت لإحياء الاهتمام بطاقة الرياح، وبذلت جهود حثيثة لإيجاد حلول تغطي جوانب العجز في هذه التقنية. توالت البحوث في مجالات مصادر الطاقة، وتطوير المنظومات الحالية التي من شأنِها جعل التقنية أكثر اقتصادية، وكفاءة، واستدامة.[2]

المصادر
[1] Wind Energy Fundamentals
[2] Wind Energy

ما هي الهندسة الطبية؟

هي تطبيق مبادئ حل المشاكل والتقنيات الهندسية ضمن المجال الطبي بشكل عام وعلى جسم الإنسان بشكل خاص. وقد برزت  بشكل أكبر بعد ظهور الحاجة إلى زرع أجهزة إلكترونية في الجسم مثل  «الناظمات القلبية – Pacemakers» وزراعة «الأطراف الصناعية – Artificial Limbs ». واستمرت الهندسة الطبية في التطور حتى ضمت عدة مجالات إضافية مثل هندسة النسج والطباعة ثلاثية الأبعاد للأعضاء البديلة.[1]

كيف تختلف الهندسة الطبية عن غيرها من الاختصاصات الهندسية؟

الاختلاف الأساسي هو أن الهندسة الطبية تستهدف صحة الإنسان بشكل مباشر. يدمج هذا الاختصاص المعارف المختلفة من الهندسة الميكانيكية، والإلكترونية، والكهربائية، وعلوم الحاسوب، وعلم الأحياء والطب ليكوّن علم قائم بحد ذاته يخدم المجال الطبي ويمنحه حلول إضافية وفعّالة.

ما هو عمل المهندسين الطبيين؟

ينقسم عمل المهندسين الطبيين إلى أكثر من مجال وتخصص، من أهمها:

1. تصميم وتطوير الأجهزة البديلة مثل الناظمات القلبية، والكلى الصناعية، والقلب الصناعي، والأطراف الصناعية، والأوعية الدموية الصناعية وغيرها الكثير.
2. برمجة أجهزة مراقبة المرضى في المستشفيات و تطويرها.
3. برمجة وتطوير أنظمة التصوير الطبي «الطبقي المحوري – CT»، و«التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني – PET »، و«الرنين المغناطيسي – MRI» والتصوير بالأمواج فوق الصوتية.
4. إجراء الأبحاث العلمية والتطويرية في مجال المواد الطبية الحيوية ومحاولة اكتشاف خلطات جديدة.
5. إجراء الأبحاث العلمية في مجال الميكانيكا الحيوية.
6. صيانة الأجهزة الطبية، ويعد مجالًا واسعًا بسبب التنوع الكبير في الأجهزة الطبية وخصوصية كل جهاز، فقد نجد اختصاصات مختلفة ضمن مجال الصيانة. [2]

ما هي المؤهلات اللازمة لدراسة هذا المجال؟

يجب أن يكون الشخص الراغب بدراسة هذا المجال ملمًّأ بمبادئ الفيزياء، والكيمياء، وعلوم الأحياء، والميكانيكا، والرياضيات والتشريح. ومن الممكن أن يعمل ضمن هذا المجال المهندسين الحاصلين على شهادات أخرى مثل الهندسة الكهربائية بعد أن يخضعوا لدورة تدريبية تعزز الجانب الطبي لهم بالإضافة إلى خبرتهم الأساسية بالجانب التقني والإلكتروني.[3]

ما هي تصنيفات الأجهزة التي يتعامل معها المهندس الطبي؟

تتصف الأجهزة الطبية بالتنوع الكبير، ولكن يمكن تصنيفها ضمن مجموعات كما يلي:

• الأجهزة التعويضية الجزئية أو الكلية، وتتمثل في الأطراف الصناعية، سواء للقدمين أو لليدين، أو أجهزة تصحيح التشوهات الخلقية للأطراف.

• التجهيزات الخاصة بالمستشفيات والمراكز العلاجية: وتتمثل في الأسرّة، وتجهيزات الغرف بأنواعها وأيضًا تمديدات شبكة الغازات الخاصة بالمستشفى.
• أجهزة التشخيص والمراقبة: وأمثلة على هذا النوع: السماعة الطبية، وعتاد إضاءة غرف العمليات، وجهاز قياس ضغط الدم وضغط قاع العين وضغط التنفس، ومقاييس نسب السكر في الدم.

• أجهزة التصوير: مثل التصوير المقطعي، والمسحي والإلكتروني، وأجهزة رسم تخطيط القلب وأجهزة رسم تخطيط الدماغ.

•  المجاهر: وتُعد من أبرز أجهزة الهندسة الطبية الحيوية المُستخدمة في المخابر ومراكز الأبحاث، وهناك الكثير من الأنواع، ومنها: المجاهر الضوئية، والإلكترونية، وأجهزة التحليل الطيفي.[3]

المصادر

[1]-Michigan Tech
[2]-Marquette University
[3]-Drexel University

مع الدعوات والالتزامات للحكومات في العالم لاسيما داخل الاتحاد الأوروبي لتقليل الاعتماد على مصادر الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري، بل ذهب الحديث إلى الإنتهاء منها بحلول عام 2030 لبعض الدول. دعت الحاجة المتنامية لمصادر طاقة بديلة مُتجددة أقل تلوثًا تحمي البيئة، وتتسم بالتوفير الاقتصادي لتزود العالم بمخزون كافي من الطاقة. إلا أنَّ الإشكالية لا تكمن بعملية إنتاج الطاقة وحسب، وإنما بتخزينها أيضًا، وذلك يرجع لواحدة من أهم مشكلات بدائل الوقود الأحفوري التي يواجهها العالم اليوم متمثلة بالكفاءة، والاستدامة الموسمية، إلى جانب عدم القدرة على توقع كمية الطاقة الممكن إنتاجها منها في مختلف المواسم، وبالتالي ضمان وفرتها وتخزينها بشكل دوري موسمي.

فكما نعلم الطاقة بشكلٍ عام، والكهربائية بشكلٍ خاص، العِماد الأساسي لضمان التقدم والرخاء الاقتصادي والحضاري للعالم. وذلك يتم عبر الإدارة والتحكم بتوزيع الطاقة على نطاق صناعي من جهة، وتلبية الحاجة للطاقة التي تعتبر متغيرة باختلاف المنشآت؛ والمراكز من جهة أخرى. مما يُعرف حاليًا أن طرق تخزين الطاقة الكهربائية محدودة للغاية ولا تلبي الحد المطلوب؛ لذا إتجهت الأبحاث المختصة لدراسة كيفية تخزين كميات عالية من الطاقة بصورتها البكر.
يكون بالإمكان حفظ الطاقة قرب مراكز توليدها أو نقاط الاستهلاك الأقرب لها؛ مثال لذلك تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الملح الذائب.[١]

موجز تاريخي لتقنية الملح الذائب:

يعود أول استخدام لتقنية الملح الذائب إلى عام ١٩٥٠، عندما بدأ مختبر أوك ريدج الوطني في الولايات المتحدة (ORNL) بتطوير واختبار لمركبة مزودة بمحرك يعمل بالوقود النووي باستخدام تقنية الملح الذائب.
وبحلول عام ١٩٥٤، نقلت أورنل تركيز أبحاثها من محركات الوقود النووي إلى المفاعلات النووية، وذلك حصيلة تجارب أظهرت ثبات الأملاح الذائبة وعدم تحللها حين تعرضها للحرارة العالية الناتجة من المفاعلات النووية.
في ذلك الوقت، كانت هيئة الطاقة الذرية الأميركية (AEC) مهتمة أكثر بدراسة مفاعلات توليد الذرات القابلة للانشطار، ولهذا قامت أورنل بتطوير مفاعل توليد ذرات باستخدام الملح ذائب في الستينات. لسوء حظ أورنل المشروع كان ينافس مشروع آخر كانت هيئة الطاقة مهتمة أكثر بتطويره، مما أدى إلى تضارب بأحقية الدعم لمشروع الملح الذائب، مقررة بذلك هيئة الطاقة بدعم المشروع الآخر، موقفة العمل بمشروع مفاعل الملح الذائب. وبهذا أقفل ملف أبحاث مفاعلات الملح الذائب برفع آخر تقرير بالمشروع عام ١٩٧٦.

غير أن جهود باحثي أورنل لم يذهب سدى، فقد تم افتتاح أول محطة توليد طاقة شمسية استخدمت تقنية الملح الذائب لحفظ الطاقة عام ١٩٩٣ في كاليفورنيا. المحطة مصممة لتخزين ١٠ ميجا واط من الكهرباء خلال ساعة واحدة، استخدمت فيها مرايا عديدة لتوجيه أشعة الشمس نحو البرج المركزي. هذه الأبراج تعمل على امتصاص الأشعة الموجهة إليها لترفع من درجة حرارة الملح وتحفظ الطاقة في الملح بصورة حرارة.
بحلول عام ١٩٩٩، أُغلقت المحطة نتيجة لحاجتها لصيانة ذات تقنية عالية ومتتالية لم تكن متوفرة آنذاك.
نشرت أورنل بعدها مباشرة تقرير مختصر في عام ٢٠٠٠، وألحقته بتقرير مفصل في عام ٢٠٠٢ يوثق البحث كامل في هذا المشروع مما فتح الباب لإعطاء التقنية فرصة أكبر في السوق، لتنتشر على نطاق تجاري أوسع عالميًا. [2]


مبادئ تخزين الطاقة حراريًا في تقنية الملح الذائب:

هنالك صورتان لتخزين الطاقة حراريًا: حرارة محسوسة، أو حرارة كامنة.

الطاقة الحرارية المحسوسة تعتمد تخزين الطاقة الحرارية بطور واحد، بحيث تكون درجة حرارة المادة تتفاوت مع كمية الطاقة المخزونة. معادلة تدفق الحرارة من الحار الى البارد تحقق هذا بالصورة التالية:
Q = m C ΔT
بحيث m تعبر عن الكتلة، و C الحرارة النوعية، و ΔT الفرق في درجات الحرارة.
ينبغي الإشارة إلى أنه يشترط في هذه العملية عزل النظام لإبقاء تدرج درجات الحرارة لأجل خزن الطاقة.

إن أخذنا الماء كمثال، نستطيع القول بأنه يعتبر وسيط مثالي في درجات الحرارة المنخفضة التي تتراوح بين (°90 – 25)، وذلك بسبب الحرارة النوعية لجزيئاته المرتفعة نسبيًا(kJ/kg°C)4.2، بالإضافة لسهولة الحصول عليه.
من جهة أخرى، الحرارة الكامنة تُحفظ باستخدام مواد متغيرة الطور، والتي تستفيد من الحرارة الكامنة النوعية (L) الناتجة من تغير الحالة للمادة:
Q = m C ΔT + m L
المواد متغيرة الطور ممتازة بسبب كثافة تخزينها العالي للطاقة، الماء مثلًا لديه حرارة انصهار أكبر ب ٨٠ مرة من الحرارة المتطلبة لرفع درجة حرارة ١ كجم من الماء درجة مئوية واحدة.[3-4-5]

الأملاح الذائبة:

لدى الأملاح الذائبة خواص تجعلها مؤهلة لتكون وسيط ممتاز لحفظ الطاقة على نطاق واسع في المحطات الكبيرة، مثلًا:
درجة غليانها عالية، ومنخفضة اللزوجة، وضغط تبخرها منخفض، وسعة حرارتها الحجمية عالية؛ فكلما كانت سعة الحرارة الحجمية عالية، كانت مناسبة أكثر لتُحفظ في خزانات بأحجام أقل.

الأملاح المستخدمة في تقنية تخزين الطاقة حراريًا، مثل: نترات الصوديوم والبوتاسيوم،  لديها درجات ذوبان تتراوح بين 300-500°C، وسعة حرارية حجمية تترواح بين 1670 – 3770 kJ/m3°C، ولهذا خليط الملح المستخدم في محطات توليد الطاقة الشمسية المسمى تجاريًا ب “HITEC” يتكون من نترات البوتاسيوم 53%؛ ونترات الصوديوم 40%؛ ونتريت الصوديوم 7%، بدرجة حرارة بالحالة السائلة تتراوح بين 149 – 538°C.
يتم تسخين هذه الأملاح وحفظها في خزانات معزولة خارج أوقات الذروة، وعند الاحتياج يضخ الملح الذائب إلى مولد البخار لاستخدام الحرارة بتوليد الكهرباء.[3-5-6]

تخزين الطاقة في محطات الخلايا الشمسية:

محطات توليد الطاقة باستخدام الخلايا الشمسية ( CSP) تستخدم تقنية التخزين الحرارية و التي تتكون من عاكسات ذات قطوع مخروطية، أو مرايا تتبع للشمس، والتي بدورها تعمل على توجيه أشعة الشمس إلى البرج المستقبل المزود بأنابيب ذات نقاط بؤرية بحيث تنتقل الحرارة عبر مائع وسيط (الملح الذائب)، ومنها المائع ينتقل إلى المبادل الحراري ناقلًا الطاقة إلى الماء المستخدم لإدارة المولد الحراري ليولد الكهرباء.

إن تمعنا في البنى المستخدمة للتخزين، سنجد أن هنالك بنيتان أساسيتان مستخدمتان في منظومة تخزين الطاقة بالأملاح الذائبة، وهما:
بنية الخزانين المزدوجين: يستخدم الملح الذائب كمائع ناقل للحرارة عبر امتصاص الحرارة من المفاعل او المبادل الحراري، وكوسيط تخزين الطاقة الأساسي مستخدم الخزانين معًا الحار والبارد.
خزان آحادي: يُستخدم خزان واحد بحيث يبقي الملح الحار والبارد منفصلين باستخدام فاصل حراري. بحيث يتدفق الملح من الجانب البارد للخزان، ليتم تسخينه، ومن ثم يتدفق إلى الجانب الساخن من الخزان، ليُضخ خارجًا مخلفًا حرارة تستخدم لتوليد الكهرباء، ليعود بعدها إلى الجانب البارد من الخزان.[3-6-7-8]

[1] A. Bielecki, S. Ernst, W. Skrodzka, and I. Wojnicki, 2019. Concentrated Solar Power Plants with Molten Salt Storage:
Economic Aspects and Perspectives in the European Union., International Journal of Photoenergy.

[2] S. Ladkany, W. Culbreth, and N. Loyd, 2018. Molten Salts and Applications I: Molten Salt History, Types, Thermodynamic and Physical Properties, and
Cost., Journal of Energy and Power Engineering.

[3] M. Green, et al. “Nuclear Hybrid Energy Systems: Molten Salt Energy Storage,” INL/EXT-13-31768, November 2013.

[4] B. Reinhardt, ” Thermal Energy Storage,” Physics 240, Stanford University, Fall 2010.

[5] S. M. Hasnain, “Review on Sustainable Thermal Energy Storage Technologies, Part I: Heat Storage Materials and Techniques,” Energy Convers. Manage. 39, 1127 (1998)

[6] Z. Yang, and S. V. Garimella, “Cyclic Operation of Molten-Salt Thermal Energy storage in Thermoclines for Solar Power Plants,” Appl. Energy 103, 256 (2013).

[7] J.E. Pacheco, et al. “Development of a Molten-Salt Thermocline Thermal Storage System for Parabolic Trough Plants,” J. Solar Energy Eng. 124, 153 (2002).

[8] Y. Rajavi, “Concentrating Solar Power,” Physics 240, Stanford University, Fall 2013.

يعتمد عمل الواقع الافتراضي بشكل كبير على خداع الحواس والعقل لتوليد الإدراك. ونقصد بالخِدع هنا أن العقل قد أُوهم بأن ما يراه صحيحًا. ويتم تصنيف الخدع إلى ثلاث أنواع سنتحدث عنها في هذا والمقال وهي بمثابة الخدع الثلاث الأساسية لصناعة واقع افتراضي، فما هي؟

الخدع الثلاث الأساسية لصناعة واقع افتراضي

1- خدعة المكان «Place Illusion»

تعمل هذه الخدعة على خلق تأثير أو حالة من الشعور بأن الشخص قد انتقل من مكانه إلى مكان آخر كلياً. لتحقيق هذه الحالة يجب أخذ عدّة عوامل بعين الاعتبار، وهذه العوامل هي:

1- جودة العرض

كما نعلم فإن دقة العرض تلعب دورًا مهمًا في توليد الإدراك، لذلك يجب أن تكون الدقة عالية بالإضافة إلى عامل آخر مهم وهو معدل الإطار. نعلم أن معدل الإطار الطبيعي للعين هو في المجال بين 30 إلى 60 إطار بالثانية، لذلك يجب توليد رسوميات بمعدل إطار بين 75 إلى 120 إطار بالثانية، وكلما زادت القيمة كلما كانت الحركة أقرب إلى الواقعية أكثر.[1]

2- تتبع الحركة وزوايا الميل

تتعلق جودة التتبع بمقياس مهم وهو درجة الحرية التي توفرها أداة التحكم. درجة الحرية هي الحركات والزوايا التي تستطيع الأداة قياسها، وبالتالي كلما زادت كلما كان لدى المستخدم حرية أكبر في الحركة. فمثلًا، لو كان للأداة درجة حرية منخفضة وقام المستخدم بحركة معينة ولم يستجيب لها الجهاز، سيلغى الشعور بالواقعية مباشرةً مما قد يؤثر سلبًا على جودة استخدامه للواقع الافتراضي.

3- أدوات التحكم

وهذا يتعلق بالبندين المذكورين سابقًا، أي لتحقيق جودة عرض عالية و تتبع حركة دقيق، يجب استخدام أدوات ذات جودة عالية تلبي هذه المطالب للإبقاء على الوهم بدون توليد شكوك حول صحته. أيضًا المؤثرات السمعية ذات أهمية كبيرة لتعزيز الوهم المكاني وتوليد الإدراك المطلوب لدى المستخدم.[2]

2- خدعة المعقولية «Plausibility Illusion»

تعمل هذه الخدعة على مبدأ خلق بيئة معقولة يمكن تصديق وجودها وأن كل ما فيها يحدث فعلاً. وهي أهم نوع من الخدع لأنها تستهدف إدراك الدماغ مباشرة وليس الحواس. مثلًا، لو دخلت لتجريب واقع افتراضي يسمح لك بالسفر إلى بلد آخر، ورأيت مخلوقات غريبة، سوف يدرك دماغك أنه محض خيال ويقوم بإلغاء الإدراك بأن ما تراه واقعي. العوامل المؤثرة بالخداع المكاني تؤثر أيضًا على هذا النوع ولكن من الممكن أن يلغى وهم المعقولية في حالتين:

1- البيئة لا تتجاوب

في حال كانت البيئة الافتراضي لا تتجاوب مع تفاعل المستخدم معها بشكل صحيح وواقعي، سيؤدي هذا إلى خلل في الإدراك فمثلًا، لو كنت تسير في غابة افتراضية وعبرت من خلال شجرة بشكل طبيعي دون الإحساس بعائق يوقفك، فإن عقلك سيلاحظ الخطأ المنطقي الحاصل وسيؤدي هذا إلى إفساد كامل التجربة.

2- حركة العناصر

إذا كانت حركة العناصر عبارة عن حركات مكررة إلى حد كبير أو غير منطقية سيلاحظ العقل الأخطاء المنطقية مباشرةً ويلغي الإدراك فمثلًا، لو كنت في الغابة ولاحظت أن مجموعة من الحيوانات يقومون بنفس الحركات بالضبط دون أي تغيير لمسافة معينة ثم يعودون لنقطة البداية، ستلاحظ الخطأ مباشرةً لأن العشوائية هي سمة الطبيعة. [2]

إن تجنب حدوث هكذا أخطاء يتطلب مقدرة كبيرة على محاكاة الطبيعة ضمن أنظمة الواقع الافتراضي. فالمحاكاة الصحيحة هي نواة النظام وفشلها يؤدي إلى فشله مباشرةً. ولكن ما الفرق بين خدعة المكان وخدعة المعقولية؟

في خدعة المكان وكما ذكرنا سابقًا، يجب أن يشعر المستخدم أنه قد انتقل إلى عالم آخر تمامًا. وفي حال حدوث شيء أدى إلى إفساد هذه الخدعة، فيمكن إعادته لأن الأمر يعتمد على خداع الحواس قبل الدماغ. أما خدعة المعقولية، فهي تعتمد على أن المستخدم يصدق بواقعية وصحة ما يراه. وفي حال حدوث شيء أدى إلى إزالة هذه الخدعة مؤقتًا، فإن العقل سيبدأ بالتشكيك بكل ما يراه بعدها. وبالمحصلة سيركز العقل على ملاحظة الأشياء غير الواقعية، مما يؤدي إلى فشل هذه الخدعة بشكل كامل وصعوبة استرجاعها. [2] لذلك من المهم والضروري العمل على تحقيق أعلى مستويات الدقة عند تصميم أنظمة الواقع الافتراضي.

3-خدعة التجسيد «Embodiment Illusion»

وظيفة هذه الخدعة هي خلق إحساس لدى المستخدم بالانتماء الجسدي بالواقع الافتراضي. ويعتمد هذا بشكل أساسي على تتبع الحركة و زوايا الميل كي تنتقل الحركة الحقيقية بشكل كامل ودقيق إلى الواقع الافتراضي. أحد العوامل الأساسية ضمن هذه الخدعة هو التغذية العكسية اللمسية. تولد التغذية العكسية اللمسية شعور واقعي عند ملامسة العناصر المختلفة ضمن الواقع الافتراضي.[3]

تحقيق التوافق بين الخدع الثلاث مهم بدرجة كبيرة لخلق إدراك قوي بواقعية التجربة. وكما نلاحظ فإن التكامل بين جميع العوامل مهم، وأي خلل في إحداها سيؤدي إلى خلل كامل المنظومة.

المصادر:

1- NCBI
2- Geeks For Geeks
3- Virtual Body Works

يُترجم مصطلح «Restoration» أحيانًا إلى التعافي، وهو مصطلح واسع في نطاق علم النفس البيئي. يشمل عملية التعافي النفسية أو الفسيولوجية التي تنتج عن بيئات معينة، والتي تسمى بالبيئات التصالحية -أو البيئات العلاجية-.

أشار عدد كبير من الدراسات النفسية والسلوكية إلى أن البيئات الطبيعية أكثر تجديدًا وتحفيزًا للتعافي من البيئات الحضرية، كما أن التعرّض لتلك البيئات التصالحية يساعد في الهدوء والاسترخاء ويحول دون الإصابة بعدة أمراض -مثل تلك التي عرضناها في المقال السابق حول الإجهاد البيئي-. ولذلك فإن البيئات التصالحية ومكوناتها موضوع رئيس في دراسة المنافع الصحية للطبيعة.

نظريات التعافي بالبيئة

سيق البحث حول البيئات التصالحية بشكلٍ أساسي اعتمادًا على تفسيرين نظريين: الأول هو نظرية التعافي من الإجهاد «Stress Recovery Theory»، والمعنيّة بالتعافي من الإجهاد الناتج عند تعرض الفرد لموقفٍ أو ظرفٍ متطلبٍ ذهنيًا أو مهددٍ لسلامته؛ والثاني هو نظرية استعادة الانتباه «Attention Restoration Theory» والمعنيّة بعلاج الإرهاق الناتج عن التركيز المطوّل. بشكلٍ عام يمكننا اعتبار النظريتين متكاملتين حيث تركز كلٌ منهما على جوانبٍ محددة من عملية التعافي.

أول من وضع أسس نظرية التعافي من الإجهاد كان روجر أولريك، والذي كان رائد أبحاث البايوفيليا كما سبق لنا الحديث. حسب أولريك، فحين التعرض للطبيعة فإن انطباع الناس الأوليّ نحو بيئةٍ ما يتكون بشكلٍ لا واعٍ ودون التدقيق في مكونات البيئة المحيطة في غالب الأحيان.

تصدر الانطباعات الأولية الإيجابية عند توافر صفات بيئية معينة في البيئة المحيطة، تشمل هذه الصفات تواجد المكونات الطبيعية (مثل النباتات)، وتناظر الهيكل أو المخطط الفيزيائي للمكان، واستواء الأرضية، وغياب المخاطر على سبيل المثال. تساهم هذه الانطباعات الإيجابية عن البيئة في التعافي إذ توفر ملاذًا آمنًا من التوتر والإجهاد وتوفر مستويات أقل من الانتباه والقلق والخوف.

استعادة الانتباه: بيئات تدعو للاسترخاء

تهتم نظرية استعادة الانتباه لراشيل كابلان وستيفن كابلان بالمقابل بالعمليات الذهنية الأبطأ في التعافي. تفترض النظرية ابتداءً أن البشر لديهم قدرة محدودة لتركيز انتباههم نحو شيء ليس مثيرًا في حد ذاته، وهو ما يجهد آلية الفلترة الذهنية المسؤولة عن التركيز ويتسبب بإرهاق تركيز الانتباه «Directed attentional fatigue».

تتوقع نظرية استعادة الانتباه أن البيئة يمكنها مقاومة الإرهاق الناتج عن تركيز الانتباه حين تتصف العلاقة البشرية-البيئية بأربع صفات:

1. الإبهار، أي قدرة البيئة على جذب الانتباه دون جهدٍ ذهني من الفرد
2. الشعور بالتواصل او الارتباط
3. الابتعاد عن المشاغل والمشاكل اليومية
4. التوافق بين تفضيلات المرء وخصائص البيئة.

ولما كان من المعتاد توافر هذه الخصائص الأربع في تفاعل البشر مع الطبيعة، كانت البيئات الطبيعية أكثر فاعلية ونجاعة في العلاج عن معظم البيئات الحضرية. ولكن منشآت مثل دور العبادة أو المتاحف يمكنها توفير بعض الخصائص العلاجية أيضًا، وبالأخص بالنسبة للزوار الذين يشعرون بالراحة في تلك الأماكن.

التصميم العلاجي للمدن

تُناسب معايير التصميم العلاجي المذكورة البيئاتِ المتوفرة على مستويات عالية وحادّة من الإجهاد وصعوبة التركيز.  ولهذا فإن المعايير والمكونات العلاجية أصبحت جزءًا مهمًا من عملية التصميم المبني على الأدلة «Evidence-Based Design»، وبالأخص للمنشآت الصحية. ولكن مع كون عوامل حضرية عديدة مصدرًا رئيسيًا للإجهاد والتوتر فإن التصميم الحيوي المحب للبيئة ينال انتشارًا وتطبيقًا واسعًا على مستوى البيئات الحضرية الكاملة. فالدراسات عن البيئات العلاجية والتأثيرات الصحية للطبيعة وجدت أن التعرض للبيئة والخضرة توفر متنفسًا حتى للأشخاص غير المصابين بمستويات عالية من التوتر كما أنها تحسن من تفضيل السكان لبيئتهم.

تحديات تواجه البيئات التصالحية

يواجه التصميم المحب للبيئة والعلاجي عدة تحديات. إحدى  هذه التحديات هو القدر الأمثل من التعرض للطبيعة والبيئات الصحية الذي يجب أن يتعرض له الفرد. فحسب استبيان موسع في المملكة المتحدة نصح الباحثون بـ30 دقيقة أسبوعيًا كزيارة للأماكن الطبيعية والخضراء لخفض مستويات الضغط والاكتئاب لدى الأفراد. كما أن دراسة تأثيرات الطبيعة العلاجية وجدت أن مساحة المسطحات الخضراء في الحي غير مرتبطة بالعائد الصحي للتعرض له، ما يعني أن تخطيط المسطحات الطبيعية يجب أن يركز على توفير المساحات الخضراء لقطاعات أكبر من الناس وجعلها أسهل للاستخدام عوضًا عن زيادة مساحاتها فقط.

في هذا السياق يكون من الضروري الحديث عن الجانب الإداري والاجتماعي للبيئات الصحية. فكما أشرنا مرارًا في هذه السلسلة فالعلاقة بين البشر والبيئة متداخلة على عدة مستويات. أحد هذه المستويات والذي نال اهتمامًا بالغًا حول العالم بعد جائحة كورونا هو عدالة توفير الأماكن العامة والخضراء للسكان. كما زاد الاهتمام بقدرة كل فئات المجتمع ومكوناته من الوصول والتمتع بالأماكن العامة بشكلٍ آمن. فمع موجة احتجاجات حركة «Black Lives Matter» العام الماضي، توسّع الحديث حول حقوق السكان السود في أمريكا وأوروبا في الاستمتاع بالحدائق والأماكن العامة. ففي ظل شعور العديد منهم بالتهديد بسبب العنصرية، تفقد الحدائق والمساحات الطبيعية فاعليتها وأهميتها كبيئةٍ تصالحية. وتتحول المساحات هناك لمصدر للقلق عوضًا عن ذلك. [1]

التفرقة العنصرية في الأماكن العامة أيضًا تأخذ حيزًا من الاهتمام علميًا كما اجتماعيًا. مع ارتفاع درجات الحرارة عالميًا بسبب الاحتباس الحراري، ما يعني أن بعض الفئات تتمكن من الاستراحة في الحدائق والأشجار. بينما لا تجد بعض الفئات الأخرى سوى الأبنية الأسمنتية والشوارع الجرداء حولها. [2] أيضًا، يجري الحديث حول حرمان الفئات الأثر فقرًا حول العالم من الحصول على متنفسٍ صحي في ظل إجراءات الحظر المفروضة. ويزداد الأمر تعقيدًا عند الأخذ في الحسبان نفور العديد من أفراد الطبقات المتوسطة والأغنى من الفئات الأفقر. ما يجعلهم غير مرغوب فيهم في الأماكن الخضراء.

بيئات تصالحية داخل المدن؟

توفير المساحات الخضراء ليس سهلًا في الكثير من المناطق، إما لظروف المناخ أو لعدم توافر الموارد الكافية. وفي هذه الحال فيمكن الاستعاضة عن المساحات الخضراء (وهي الخيار الأمثل كما سبق لنا الحديث) فمكونات أخرى عوضًا عنها. فمثلًا وجدت بعض الأبحاث أن التعرض لمحاكات بصرية للطبيعة كالفيديوهات واللوحات الفنية) والتعرض للروائح والأصوات الطبيعية يمكن أن يوفرا عوائد صحية وعلاجية أيضًا.

كما أن الخصائص الهندسية للبيئة المحيطة، مثل التناظر والأنماط المتكررة في المكان وسلاسة التصميم نفسه ناهيك بتوفير الملاذ الآمن بعيدًا عن الضوضاء والتلوث، تساهم أيضًا في توفير بيئات علاجية ولكنها غير معتمدة على الطبيعة حصرًا. وقد وعي الكثير من سكان المدن ومحافظيها حول العالم بأهمية توفير البنية التحتية الصديقة للمشاة والسكان بعد أزمة كورونا. ويُتوقع ويُرجى أن تستمر هذه الإجراءات في المدن عالميًا لزيادة المساحات العامة المتاحة للسكان. [3]

المصادر: 
[1] The Toxic Intersection of Racism and Public Space
[2] Racism is magnifying the deadly impact of rising city heat
[3] City dwellers gained more access to public spaces during the pandemic – can they keep it?
[4] Restorative Environments, in Environmental Psychology: An Introduction, Linda Steg.