إذا سبق أن مررت بجانب خطوط الضغط العالي الكهربائية فلابد أن سمعت صوتًا غريبًا يشبه صوت الأزيز يصدر من هذه الخطوط. يُعزى ذلك الصوت إلى ظاهرة التفريغ الهالي أو «ظاهرة الكورونا-Corona Phenomenon». تحدث هذه الظاهرة نتيجة لتأين الهواء المحيط بخطوط الضغط العالي في صورة مجال كهربائي غير منتظم ويمكن ملاحظة ذلك على خطوط النقل الكهربائية في صورة وميض لامع مائل للزرقة وتكون هذه الظاهرة مصحوبة بصوت أزيز وإنتاج غاز الأوزون.
كيف تنشأ ظاهرة الكورونا ؟
لكي تصل الكهرباء إلى المستهلكين لابد من نقلها من مناطق التوليد إلى مناطق الاستهلاك ويتم استخدام خطوط النقل الكهربائية للقيام بهذه المهمة. ولكن قبل نقل القدرة الكهربائية يتم رفع الجهد الكهربائي في مناطق التوليد عن طريق محولات رفع وبما أن القدرة تساوي الجهد الكهربي مضروبا بالتيار (P=V*I) أي أنها ثابتة لذا تقوم محولات «محولات رفع الجهد-Step-up Transformers» برفع الجهد الكهربي إلى قيم عالية مثل 110 كيلوفولت وبنفس الوقت يتم إنقاص التيار و ذلك لأجل تقليل الفقد في القدرة أثناء النقل لأن القدرة المفقودة تتناسب طرديا مع مربع التيار لذا كلما كانت قيمة التيار قليلة كلما كان الفقد في القدرة أقل . ولكن القيمة العالية للجهد الكهربائي تؤدي إلى إنهيار عازلية الهواء المحيط بخطوط النقل أو بمعنى آخر يتحول الهواء من مادة عازلة للتيار الكهربي إلى مادة موصلة للتيار نتيجة لتأين ذرات الهواء وبالتالي تنشأ ظاهرة التفريغ الهالي أو الكورونا.
عموما لكي تحدث ظاهرة التفريغ الهالي يجب أن يتحقق ما يلي:
وجود فرق كهربائي عالي في خطوط النقل : يُسمّى أقل جهد كهربائي مطلوب لحدوث ظاهرة التفريغ الهالي ب «جهد الانهيار الحرج-critical disruptive voltage» ويقدر بحاولي 30KV.
أن تكون المسافة بين الخطوط الكهربائية أكبر مقارنةً بقُطر هذه الخطوط، فكلما زادت المسافة الفاصلة بين الخطوط مقارنة بقطر هذه الخطوط، زادت احتمالية حدوث ظاهرة التفريغ الهالي.
تأين جزيئات الهواء المحيطة بالموصلات الكهربائية
العوامل المؤثرة على ظاهرة الكورونا
إضافة لفرق الجهد العالي، هناك عوامل أخرى تزيد من إحتمالية حدوث ظاهرة الكورونا. ومن هذه العوامل:
حالة الطقس : بما أن تدرج الجهد الكهربائي لانهيار عازلية الهواء يتناسب طرديًا مع كثافة الهواء. لذا إذا كان الطقس عاصف ، فبسبب تدفق الهواء المستمر ، فإن عدد الأيونات الموجودة حول الموصل أكثر بكثير من المعتاد ، وبالتالي فمن المرجح أن يكون هناك تفريغ كهربائي في خطوط النقل في مثل هذا اليوم .
حالة الموصلات : تعتمد ظاهرة الكورونا بشكل كبير على الموصلات وحالتها المادية حيث تتناسب تناسبًا عكسيًا مع قطر الموصلات. أي مع زيادة القطر . وأيضًا وجودالأوساخ أو خشونة الموصل يقلل من جهد الانهيار الحرج، مما يجعل الموصلات أكثر عرضة لظاهرة التفريغ الهالي.
المسافة بين الموصلات: تحدث ظاهرة الكورونا إذا كانت المسافة بين الوصلات أكبر مقارنةً بقطر الموصل، ولكن إذا زادت المسافة عن حد معين سيقل فرق الجهد المطبق على جزيئات الهواء وبالتالي لن تحدث هذه الظاهرة.
سلبيات ظاهرة الكورونا
تؤدي ظاهرة التفريغ الهالي إلى حدوث فقد في القدرة الكهربائية، تآكل الموصلات نتيجة لعملية الأكسدة وتكوين غاز الأوزون، إضافة إلى التشويش الكهرومغناطيسي الذي يؤثر على خطوط الاتصالات المجاورة.
كيف يمكن التقليل من ظاهرة الكورونا
يمكن الحد من هذه الظاهرة باستخدام عدة طرق فمثلًا زيادة المسافة الفاصلة بين الموصلات ولكن هذا الحل غير مجدٍ اقتصاديًا لأنه سيؤدي إلى زياد حجم البرج وارتفاع التكلفة. الحل الآخر هو زيادة مساحة مقطع الموصل الكهربي ولكن هذا أيضا مكلف اقتصاديًا. لذا ابتكر المهندسون طريقة لزيادة مساحة مقطع الموصل عن طريق استخدام «الموصلات الحُزمية-bundled conductors» وذلك بجعل موصل «الوجه-Phase» الواحد عبارة عن موصلين أو أكثر ثم عمل «قصر للدائرة- short circuit» على هذه الموصلات وبالتالى يزيد المقطع المكافئ لكل موصل ومن ثم يقل المجال المحيط به فلا تتأين ذرات الهواء.
تستخدم الموصلات الحزمية للحد من ظاهرة التفريغ الهالي
قصة الفيزيائية ليز مايتنر التي اكتشفت الانشطار النووي واستبعدت من جائزة نوبل كيف اكتشفت الفيزيائية الرائدة ليز مايتنر الإنشطار النووي ومهدت طريق العلوم أمام النساء، وكيف حُرمت من جائزة نوبل؟
“إن العلم يجعل الأشخاص يصلون إلى نوع من نكران الذات من أجل الحقيقة والموضوعية؛ ويعلمهم تقبل الواقع بتعجب وإعجاب. ناهيك عن البهجة العميقة والرهبة التي يجلبها النظام الطبيعي للأشياء إلى العالم الحقيقي” -ليز مايتنر.
في خريف عام 1946، قامت طفلة صغيرة من جنوب افريقيا تطمح لأن تصبح عالمة بكتابة رسالة إلى أينشتاين أختمتها بعبارة: “آمل أن لا تقلل من شأني لكوني فتاة!” فأجابها العالم بعبارات حكيمة يتردد صداها إلى يومنا هذا: “أنا لا أمانع كونك فتاة، لكن الأهم أن لا تمانعي أنت ذلك…فليس هناك سبب لفعل ذلك”
إن تاريخ العلم هو تاريخ العالم نفسه، تاريخ التباين غير المعقول في السلطة مما يعني أن العواقب القمعية التي أدت إلى وصول عدد قليل من النساء إلى قمة تخصصهن يرجع الى المثابة السامية والمتألقة للعلم. من بين أبرز هؤلاء النساء الرائدات واللواتي نادرا ما يحتفل بهن هي الفيزيائية النمساوية ليز مايتنر.
قادت ليز الفريق الذي اكتشف الإنشطار النووي ولكن تم استبعادها من جائزة نوبل. كان آينشتاين قد تبشر بهذه المرأة اليهودية التي بالكاد أنقذت حياتها من النازيين بصفتها ماري كوري الخاصة بالعالم الناطق بالألمانية.
وُلدت مايتنر في فيينا يوم 7 نوفمبر من سنة 1878، أي بعد أكثر من عام على عالمة الفلك الأمريكية ماريا ميتشل التي مهدت الطريق أمام النساء في مجال العلوم وحثت الصف الأول من عالمات الفلك بقولها: “لا ينبغي أن تقولن “أنا فقط امرأة، بل أنا امرأة!” ما الذي يمكنن طلبه أكثر من ذلك؟”
رغم أن ليز كانت متميزة في الرياضيات منذ سن مبكرة، إلا أن فرص النساء في أوروبا في القرن التاسع عشر كانت قليلة جدا. تروي مايتنر في أواخر عمرها بحزن:
“بالتفكير مرة أخرى في شبابي، يدرك المرء كم من المشاكل التي عانت منها الفتيات العاديات، والتي تبدو الآن غير قابلة للتخيل. فمن بين أصعب هذه المشاكل الحصول على تدريب فكري عادي.”
انتهت ليز من دراستها في فيينا عندما كانت في الرابعة عشرة من عمرها، لكن بعد بضع سنوات أصبحت الجامعات تقبل النساء. التحقت ليز بالجامعة ودرست الفيزياء لدى لودفيغ بولتزمان.
عندما كانت شابة ذهبت إلى برلين دون أدنى احتمالات لتتابع الفيزياء. ولكنها كانت محظوظة حيث أصبح ماكس بلانك معلمًا وصديقًا لها والكميائي أوتو هان زميل لها. قامت كل من ليز وهان بحفر أسمائهم في مجال النشاط الإشعاعي. لكن انتقلت مايتنر في العشرينات من القرن الماضي إلى متابعة مسيرتها في الفيزياء النووية التي كانت تعتبر بذلك الوقت مجال ناشئ تجيده ليز، فبذلك أصبحت مستقلة على هان.
تعرف مايتنر في مجتمع الفيزياء ببرلين، أو كما أحب أينشتاين مناداتها “ماري كوري الخاصة بنا”. اعتبرت من كبار العلماء التجريبيين بين علماء الفيزياء في أرجاء العالم في يومها. بذاك أصبحت تلك الشابة الخجولة التي يضايقها ابن أخيها من خلال منادتها “بالمتسلطة الغامضة والقصيرة” أستاذة حازمة.
وعلى الرغم من معاناتها من وقت لآخر من انعدام الأمان الذي شهدته خلال طفولتها إلا أنها لم تشك أبدًا في كون الفيزياء تستحق كل ذلك العناء. حسب أوراقها الشخصية، فلم يسبق لليز الزواج أو انجاب أطفال كما لم تكن لها أية علاقات عاطفية جدية. بالرغم من عدم ارتباطها، فحياتها كانت كاملة. فقد كانت صديقة مخلصة بشكل استثنائي وأحاطت نفسها بأشخاص تعتز بهم أو على حد تعبيرها “شخصيات رائعة ومحبوبة” قدمت لها “مرافقة سحرية“. فقبل كل شيء، كانت علاقتها بالعلم جد قوية لدرجة أنها انسحبت من الأشياء الأخرى لمواجهة كل عائق يعترض طريق شغفها.
متى بدأ شغف ليز بالعلوم، كيف التحقت بالجامعة، وكيف فرت من الحكم النازي في ألمانيا؟
قصة الفيزيائية ليز مايتنر التي اكتشفت الإنشطار النووي واستبعدت من جائزة نوبل
أجرت العالمة ليز أول تجربة علمية لها كفتاة صغيرة تحت عنوان “المنطق والتفكير النقدي” كتحد لها للخرافات. عندما كانت ليز صغيرة جدًا حذرتها جدتها من عدم التطريز في يوم السبت اليهودي (يوم مخصص للراحة والعبادة في الديانة اليهودية) لكي لا تنهار السماء. بالفعل، كانت ليز تقوم ببعض التطريز في ذلك الوقت وقررت إجراء اختبار: وضعت طرف إبرتها على التطريز ونظرت بقلق الى السماء، قررت متابعة التطريز منتظرة اعتراضا أو ردة فعل. وبعد ذلك استمرت في عملها مقتنعة بعدم وجود أية اعتراضات من السماء. لذلك فمنذ طفولتها، تميزت ليز بشكوك عقلانية إلى جانب حبها لقراءة الكتب، المشي لمسافات طويلة في الصيف والسماع للموسيقى.
منذ أن انتهت دراستها الرسمية في سن الرابعة عشرة قضت ليز بضع سنوات في قمع طموحاتها العلمية. لحسن الحظ بدأت الجامعات النمساوية أخيرًا في قبول النساء في عام 1901 فحصلت على شهادة الثانوية العامة لإجراء امتحان الالتحاق بالجامعة في سن الثالثة والعشرين بعد أن تم تلخيص ثماني سنوات في 20 شهرا من دراسة المنطق، الأدب، الرياضيات، اليونانية، اللاتينية، علم النبات، علم الحيوان والفيزياء. حصلت ليز على الدكتوراه سنة 1905 معتبرة واحدة من النساء القليلة في العالم اللواتي حصلن على درجة عالية في الدكتوراه في الفيزياء.
ولكن عندما سافرت ليز البالغة من العمر 29 عامًا إلى برلين على أمل أن تدرس تحت يد العظيم ماكس بلانك، اكتشفت أنها دخلت في آلة الزمن لأن الجامعات الألمانية مازالت تغلق أبوابها أمام النساء في ذلك الوقت، لذلك كان عليها أن تطلب إذنًا خاصًا لحضور محاضرات بلانك.
في خريف عام 1907، قابلت ليز الكيميائي الألماني أوتو هان المهتم بالنشاط الإشعاعي تماما مثلها. لم يعارض أتو هان العمل مع النساء بل تم منعهن في ذلك الوقت من دخول المعهد الكيميائي في برلين. كان على ليز وهانالعمل في متجر سابق للنجارة تم تحويله إلى مختبر في الطابق السفلي للمبنى. ملأ العالمان فجوات بعضهما البعض بقدراتهم الخاصة، حيث كانت ليز المتخصصة في الفيزياء عالمة رياضيات رائعة متمكنة من تصميم تجارب أصلية لاختبار أفكارها، وهان المتخصص في مجال الكيمياء بارع في العمل المختبري الدقيق.
على مدار ثلاثين عامًا من التعاون، أصبح كل من هان وليز رائد في دراسة النشاط الإشعاعي. يذكر أن العالمة ليز نشرت ستة وخمسين ورقة علمية خاصة بها بين عامي 1921 و 1934 عندما استقلت عن أتو هان. ولكن عندما بدأت حياتها المهنية بدأ النازيون باغتصاب السلطة في أوروبا. كانت ليز، هان وعالم ثالث مبتدئ يدعى فريتز ستراسمان في مشكلة حيث تم رفض فريتز للانضمام إلى المنظمات النازية.
في عام 1938، بينما كان العلماء الثلاثة يؤدون تجاربهم الرائدة، اقتحم الجنود النازيون النمسا، لذلك رفضت ليز إخفاء تراثها وهويتها اليهودية فقررت المغادرة لكن النازيين وضعوا قوانين معادية تمنع أساتذة الجامعات من مغادرة البلاد. في 13 يوليو بمساعدة من زميلها هان وعدد قليل من الأصدقاء العلميين الآخرين نجحت مايتنر في الفرار عبر الحدود الهولندية. هاجرت إلى الدنمارك حيث مكثت مع صديقها نيلز بور ثم وجدت منزلًا دائمًا لها في معهد نوبل للفيزياء في السويد. يجدر بالذكر أن قبل ثلاثة قرون فر ديكارت أيضًا إلى السويد لتفادي محاكم التفتيش بعد أن شاهد محاكمة جاليليو.
كيف حرمت ليز من جائزة نوبل، ولماذا نعتت بالأم اليهودية للقنبلة الذرية؟
قصة الفيزيائية ليز مايتنر التي اكتشفت الإنشطار النووي واستبعدت من جائزة نوبل
التقى هان وميتنر سرا في كوبنهاغن لمناقشة بعض النتائج المحيرة التي حصل عليها في المختبر مع ستراسمان. فبعد قصف نواة ذرة اليورانيوم (ذات العدد الذري 92) بنيوترون واحد انتهى بهما الأمر بنواة الراديوم (ذات عدد ذري 88) والتي تصرفت كيميائيًا مثل الباريوم (56) وهو عنصر مع ما يقرب من نصف الوزن الذري للراديوم. إن النيوترون الصغير الذي يتحرك بسرعة منخفضة من شأنه أن يزعزع الاستقرار ويحطم شيئًا ما بقوة مثل الذرة، ويسقط عدده الذري ويغير سلوكه الكيميائي!
في تلك المرحلة، كان هان أحد أفضل علماء الكيمياء الإشعاعية في العالم وليز أحد أفضل علماء الفيزياء في العالم. أخبرته ليز أن تفاعله الكيميائي لا معنى في الفيزياء وحثته على تكرار التجربة. واصلت ليز التفكير في القضية بجيرة.
قدم أوتو روبرت فريش الاستعارة المثالية لكيفية إحراز المرأة تقدمًا في العلوم بالنسبة إلى أقرانها من الذكور:
“كلانا مشى صعودا وهبوطا في الثلج، أنا على الزلاجات وهي سيرا على الأقدام.”
في فهم النتائج غير المنطقية، توصلت مايتنر وفريش إلى ما يسمى بالانشطار النووي، وهي كلمة استخدمت لأول مرة في الفقرة السابعة من الورقة التي نشروها في الشهر الموالي. ما يعني أن النواة يمكن أن تنقسم وتتحول إلى عنصر آخر كانت فكرة جذرية لم يستوعبها أحد من قبل. لذلك قدمت مايتنر الفهم الأولي لكيفية حدوث ذلك.
سوف يتم اثبات أن الانشطار النووي أحد أكثر الاكتشافات قوة وخطورة في تاريخ البشرية، قوة استسلمت لقدراتنا المزدوجة من أجل الخير والشر: لقد كان هذا الاكتشاف أساسي في اختراع الاسلحة الأكثر دموية في تاريخ البشرية: القنبلة الذرية.
في الحقيقة، كان يشار إلى مايتنر بقسوة بأنها “الأم اليهودية للقنبلة الذرية“، على الرغم من أن اكتشافها كان علميًا بحتًا، كما أنها سبقت هذا العمل الخبيث بعدة سنوات وحالما رأته يوضع قيد التنفيذ لتحقيق غايات مدمرة، رفضت بشدة العمل على القنبلة. لقد آمنت مثل بقية العالم أن القنبلة نقطة تحول خطيرة للبشرية.
بعد سنوات، كانت تصدر رثاء للعصر الذي انتهى باختراعه وتقول: “بإمكان شخص حب عمل شخص آخر دون الخوف من الأشياء البشعة والخبيثة التي قد يفعلها الناس بالنتائج العلمية الجميلة.”
كان اكتشاف الانشطار النووي بحد ذاته مثالًا ساطعًا على هذه النتائج العلمية الجميلة، انتصارًا للعقل الإنساني على أسرار الطبيعة. فالعالم هان كان يملك النتائج التجريبية غير المنطقية لكن تفسيرات مايتنر استخلصت دلالتها. نشر هان الاكتشاف دون ذكر اسمها، وبغض النظر عما إذا كانت أسبابه هي الغيرة الشخصية أو الجبن السياسي الذي أثار غضب السلطات النازية. تبقى النقطة الأساسية أن مايتنر شعرت بالخيانة الشديدة بسبب الظلم.
كتبت إلى شقيقها والتر: “لا أثق في نفسي … لقد نشر هان للتو اكتشافات رائعة استنادًا إلى عملنا معًا، حيث أن هذه النتائج تجعلني أشعر بالسعادة، شخصيًا وعلميًا، تجاه هان. أنا محبطة جدا، سيعتقد الكثير من الناس أنني لم أساهم في أي شيء على الإطلاق!”
وفي عام 1944، حصل هان وحده على جائزة نوبل للكيمياء لاكتشاف الانشطار النووي.
معاناة ليز ماتنر: كيف قضت سنواتها الأخيرة، وكيف تسبب الحكم النازي بإهمال مساهماتها في مجال العلوم؟
إن تشويه الواقع وقمع الذاكرة هي مواضيع متكررة في الدراسات عن ألمانيا النازية وتبعاتها. فلا يوجد أدنى شك في دور العالمة ليز ميتنر في اكتشاف الانشطار النووي حيث تدل السجلات المنشورة والمراسلات الشخصية أن ليز ساهمت في هذا الاكتشاف من البداية إلى النهاية.
اكتشاف فائق الأهمية لن يتم الاعتراف به لو لم تقم ليز بالهجرة. فالسياسات العنصرية التي دفعت مايتنر إلى مغادرة ألمانيا هي نفسها التي جعلت من المستحيل أن تكون جزءًا من منشور هان وستراسمان، كما كانت هناك خطورة في اعتراف هان بعلاقته معها المستمرة. لم ينفي هان تعاونه السري مع “شخص غير آري” في المنفى فقط، بل تناسى كلما قامت به ليز خلال تعاونهما. تسببت أكاذيب هان بتشوية سجل الاكتشاف وكادت أن تكلف ليز مكانتها في التاريخ.
تلقت ليز عدة جوائز في حياتها، بل كان لها عنصر كيميائي (Meitnerium) سمي على اسمها بعد وفاتها، ولكن لم يتم تصحيح حقيقة مشاركتها في اكتشاف الانشطار النووي. على الرغم من أن جميع الحواجز الممكن تخيلها قد وُضعت أمام متابعتها لتعليمها العلمي، فقد نجت من الاضطهاد النازي، وتحملت آلام المنفى، إلا أن عدم اعتبارها من طرف نوبل سبب لها الحزن الذي لا يمكن تعويضه في حياتها.
باستثناء بعض البيانات الموجزة، لم تقم عالمة الفيزياء ليز ماتنر بحملة لنفسها؛ فلم تكتب سيرتها الذاتية، ولم تأذن بالسيرة الذاتية خلال حياتها. نادراً ما تحدثت عن كفاحها من أجل التعليم والقبول على الرغم من أن انعدام الأمن والعزل في سنوات تكوينها أثرت عليها بعمق لاحقاً. ولم تتحدث قط عن هجرتها القسرية أو مهنتها وصداقاتها المحطمة. كانت تفضل أن يتم الحصول على أساسيات حياتها من منشوراتها العلمية، لكنها كانت تعلم أن في حالتها لن يكون ذلك كافياً.
إن الإصرار على أن ماتنر لم تساهم في اكتشاف الانشطار النووي ما هي إلا طريقة لإنكار حقيقة معاملتها بطريقة غير عادلة، وبمعنى أوسع، رفض مواجهة الظلم والجرائم من الفترة النازية. وبدلاً من الاعتراف بأن استبعاد مايتنر من بحثها القيم كان سياسيًا، اخترع هان أسبابًا علمية زائفة، أنكروا الظلم وخلقوا ظلمًا جديدًا!
بالنظر إلى غرفة الصدى في الرأي التفسيري الذي يسمى التاريخ، فإن وجهة نظر هان تلقت ترحيبا بسهولة من قبل أتباعه وأجيال من الصحفيين والمعلقين غير الناقدين لتاريخ العلوم. كان استبعاد نوبل هو الأكثر وضوحًا، لكن المحو بشكل فظ لإرث ماتنر لم ينته عند هذا الحد. لقد عُرض جهاز الانشطار (الأداة نفسها التي استخدمتها ليز في مختبرها في برلين لاكتشافاتها) في متحف العلوم الأول في ألمانيا لمدة خمسة وثلاثين عامًا دون أن يذكر اسمها.
قالت ماتنر في خطاب ألقته في فيينا عن عمر يناهز 75 عامًا:
إن العلم يجعل الناس يصلون إلى نكران الذات من أجل الحقيقة والموضوعية؛ ويعلمهم تقبل الواقع بعجب وإعجاب، ناهيك عن البهجة العميقة والرهبة التي يجلبها النظام الطبيعي للأشياء إلى العالم الحقيقي.
توفيت ميتنر بسلام أثناء نومها في 27 أكتوبر 1968، أي قبل أيام من عيد ميلادها التسعين. اختار أوتو روبرت، واحد من أعز أصدقائها، النقش على قبرها العبارة التالية: ليز مايتنر، فيزيائية لم تفقد إنسانيتها أبداً.
تمنح جائزة الآغا خان للهندسة المعمارية كل ثلاث سنوات لمشاريع ذات معايير جديدة للتميز في الهندسة المعمارية وممارسات التخطيط والمحافظة على التاريخ وهندسة المناظر الطبيعية. من خلال جهودها، تسعى الجائزة إلى تحديد وتشجيع بناء المفاهيم التي تلبي بنجاح احتياجات وتطلعات المجتمعات في جميع أنحاء العالم. تؤكد عملية الاختيار على الهندسة المعمارية التي لا توفر فقط احتياجات الأشخاص المادية والاجتماعية والاقتصادية، ولكنها تحفز أيضا توقعاتهم الثقافية وتستجيب لها. يتم إيلاء اهتمام خاص للمخططات التي تستخدم الموارد المحلية والتكنولوجيا المناسبة بطرق مبتكرة، وللمشاريع التي من المحتمل أن تلهم جهودا مماثلة في أماكن أخرى. يحكم الجائزة لجنة توجيهية يرأسها صاحب السمو الآغاخان. يتم تشكيل لجنة جديدة في كل دورة لوضع معايير الأهلية لتقديم المشاريع، وتوفير التوجيه المواضيعي استجابة للأولويات والقضايا الناشئة، ووضع خطط لمستقبل الجائزة. اللجنة التوجيهية مسؤولة عن اختيار وتعيين لجنة التحكيم الرئيسية لكل دورة من دورات الجائزة، وعن برنامج الجائزة للندوات والمحاضرات والمعارض والمنشورات الدولية. يبلغ إجمالي صندوق الجوائز الحالي 1،000،000 دولار أمريكي ويتم تقديمه للمشاريع التي تختارها لجنة تحكيم رئيسية مستقلة. وهو ما يعترف بجميع الأطراف المشاركة في تصميم وتنفيذ مشروع مبني. علاوة على ذلك، لا تكافئ الجائزة المهندسين المعماريين فحسب، بل تحدد أيضا البلديات والبنائين والعملاء والحرفيين والمهندسين الذين لعبوا أدوارا مهمة في تنفيذ المشروع. أكملت الجائزة 13 دورة من النشاط منذ عام 1977، وتم تجميع الوثائق على أكثر من 8000 مشروع بناء في جميع أنحاء العالم. حتى الآن، اختارت هيئات المحلفين الرئيسية 110 مشاريع لاستلام جائزة الآغاخان للعمارة. جائزة الآغا خان للهندسة المعمارية هي جزء من صندوق الآغا خان للثقافة، الذي يضم مجموعة واسعة من الأنشطة التي تهدف إلى الحفاظ على التراث المادي والروحي للمجتمعات وتعزيزه. بصفتها الوكالة الثقافية لشبكة الآغا خان للتنمية فإن الصندوق الاستئماني يعزز التراث الثقافي كوسيلة لدعم وتحفيز التنمية. 1
والمشاريع ال 6 التي حازت على هذه الجائزة العام الفائت 2019 هي:
البحرين: إحياء المحرق بدأ المشروع، لأول مرة كسلسلة من مشاريع الترميم وإعادة الاستخدام. تطور المشروع ليصبح برنامجا شاملا يهدف إلى إعادة التوازن بين التركيبة السكانية للمدينة من خلال إنشاء مساحات عامة وتوفير أماكن مجتمعية وثقافية وتحسين البيئة العامة.
بنغلاديش: مشروع أركاديا التعليمي المشروع هو هيكل نموذجي يأخذ نهجا جديدا لموقع النهر الذي غالبا ما تغمره المياه لمدة خمسة أشهر كل عام. بدلا من تعطيل النظام الإيكولوجي لإنشاء تل للبناء، ابتكر المهندس المعماري حل بنية برمائية يمكن أن تجلس على الأرض أو تطفو على الماء، اعتمادا على الظروف الموسمية.
فلسطين: المتحف الفلسطيني في بيرزيت حصل مشروع بيرزيت، الذي يتوج تلة مدرجات مطلة على البحر المتوسط ، على شهادة LEED الذهبية بسبب بنائها المستدام. إن الأشكال المتعرجة لعمارة المتحف وحدائق التلال مستوحاة من التراسات الزراعية المحيطة، مما يؤكد الارتباط بالأرض والتراث الفلسطيني.
الاتحاد الروسي: برنامج تطوير الأماكن العامة، في كازان، جمهورية تتارستان. قام برنامج في جمهورية تتارستان، بتحسين 328 مساحة عامة في جميع أنحاء تتارستان. سعى البرنامج الطموح لمواجهة الاتجاه نحو الملكية الخاصة من خلال إعادة تركيز الأولويات على المساحات العامة عالية الجودة لشعب تتارستان. لقد أصبح الآن نموذجا في جميع أنحاء الاتحاد الروسي.
السنغال: وحدة التعليم والبحث بجامعة أليون ديوب، في بامبي. يحتوي المشروع في بامبي، حيث أدت ندرة الموارد إلى استخدام استراتيجيات مناخية حيوية، على مظلة سقف مزدوجة كبيرة وأعمال شبكية تتجنب الإشعاع الشمسي ولكنها تتيح تدفق الهواء عبره. من خلال استخدام تقنيات البناء المألوفة واتباع مبادئ الاستدامة، نجحت في الحفاظ على التكاليف ومتطلبات الصيانة إلى الحد الأدنى، مع الاستمرار في إصدار بيان معماري جريء.
الإمارات العربية المتحدة: مركز واسط للأراضي الرطبة، في الشارقة. هو عبارة عن تصميم تحول الأراضي القاحلة إلى أرض رطبة ويعمل كمحفز للتنوع البيولوجي والتعليم البيئي. على الرغم من استعادة نظامها البيئي الأصلي، فقد أثبت أيضا أنه مكان شهير للزائرين ليقدروا ويتعرفوا على بيئتهم الطبيعية. 2
رصد أكبر انفجار في تاريخ الكون منذ الانفجار العظيم!
حتى اللحظة التي تقرأ فيها هذة المقالة الآن، مضى قرن من الزمان على ما يسمى ب “الجدال العظيم” وهو ببساطة جدال قام بين العالم الفلكي “هارلو شابلي” وصديقه الفلكي “هربر كورتيس” ليدور هذا الجدال حول حجم الكون!
وخلاصة القول لهذا الجدال ولما جاء بعده، ومع كل المحاولات لحساب حجم الكون بالطرق المختلفة، أنّ حدود هذا الكون “المنظور” أو المجرات التي وصلنا اليها، أصبحت الآن على بعد 93 مليار سنة ضوئية عنا، بالأخذ في الاعتبار تمدد الكون بمرور الوقت.
لذا تخيل معى مع كبر هذا الكون الذي نعيش فيه، فلابد من وجود الكثير والكثير من الأسرار التي ربما اكتشفنا بعضها ولكن الجزء الأكبر يظل مجهولا منتظرا أن يكتشفه أحد كما قال الفلكي الشهير كارل ساجان، وأحد هذه الأسرار تم اكتشافه منذ بضعة أيام فقط متمثلا في أكبر انفجار في تاريخ الكون بعد الانفجار العظيم.
الانفجار العظيم 2
اكتشف الباحثون في المركز الدولي لأبحاث علم الفلك الراديوي أكبر انفجار شهده الكون منذ الانفجار العظيم. انبثق الانفجار عن ثقب أسود هائل في مركز “مجرة حواء – Ophiuchus galaxy” التي تبعد نحو 390 مليون سنة ضوئية عن الأرض.
وقالت “Melanie Johnston-Hollitt”، البروفيسورة بجامعة كورتين والعالمة بالمركز الدولي لأبحاث علم الفلك الراديوي والمؤلفة المشاركة للورقة البحثية التي نحن بصددها:
“لقد رأينا انفجارات عديدة من قبل في مراكز المجرات، لكن هذا هائل حقًا، ونحن لا نعرف لماذا هو كبير جدا بهذا الشكل!”
يعد هذا الانفجار عنيفًا للغاية لدرجة أنه حفر حرفيًا ثقبًا في البلازما المحيطة بالثقب الأسود، كما شوهد من خلال ملاحظات تلسكوب الأشعة السينية في المجرة. رأى العلماء تجويفًا كبيرًا قويًا في بلازما المجرة – والبلازما هو الغاز شديد الحرارة المحيط بفتحه الثقب الأسود.
كيف اكتشف؟ وماذا قبل اكتشافه؟!
التلسكوب الراديوي العملاق (GMRT) بالهند.
وللاكتشاف، استخدم الباحثون أربعة تلسكوبات في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك مرصد تشاندرا للأشعة السينية التابع لناسا، ومرصد الفضاء XMM-Newton التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، موزعين بين دول مختلفة من الصين وأستراليا وحتى الولايات المتحدة الأمريكية.
شوهد هذا التجويف سابقًا بواسطة تلسكوبات الأشعة السينية في عام 2016، وهو اكتشاف تم رفضه بشدة لأنه سيكون هائلا جدا، وسيكون من غير الممكن تصور حجمه، لذا فقد رفض هذا الاحتمال، فالانفجار يعادل خمسة أضعاف أكبر الانفجارات المكتشفة في تاريخ الكون كله وهذة كمية هائلة جدا من الطاقة!
الآن وقد تمت مطابقة البيانات من عام 2016 مع بيانات جديدة من التلسكوبات اللاسلكية، تم تسجيل الاكتشاف وهو ما يعطينا درسا في الاصرار! وقال أحد المؤلفين المشاركين في الدراسة:
“ان بيانات الراديو تتطابق مع الأشعة السينية مثل يد و قفاز، وهذه هي النقطة الفاصلة التي تخبرنا بحدوث ثورة غير مسبوقة حدثت في هذا المكان.”
ليس عملاقا فحسب بل بطيئا أيضا!
ووصفت سيمونا جياكينتوتشي، من مختبر أبحاث الفضاء في واشنطن والمؤلفة الرئيسية للدراسة، الثقب الذي خلفه الانفجار بأنه يمكننا وضع 15 مجرة ”درب التبانة” في صف واحد بها، مع العلم بأن مجرة درب التبانة تمتد على مسافة 30,000 سنةٍ ضوئيّة.
لم يكن الانفجار عملاقًا فحسب، بل كان بطيئًا للغاية أيضًا. لقد حدث ذلك الانفجار ببطء شديد – كانفجار بتقنية “الحركة بطيئة Slow motion -” فقد وقع على مدى مئات الملايين من السنين!
وعلى الرغم من رصد أكبر انفجار في تاريخ الكون منذ الانفجار العظيم ، لا يزال العقل البشري حائرا وغير قادر على فهم أو حل اسرار الكون، ولكن المحاولات مستمرة رغم كل شئ.
إنّ ما يُعيب الطاقة المتجددة هو عدم الاستمرارية في التوليد نتيجةً للطبيعة المتقطعة لمصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وبالتالي فإن دمج هذه المصادر في الشبكات الكهربائية يعدُّ أمراً صعباً؛ لأن هذا يتطلب مصدر طاقة ثابت. لتوفير الطاقة من غير انقطاع، يجب أن تخزِّن مشغلات الشبكات الكهربائية طاقة إضافية يتم انتاجها عند سطوع الشمس أو عند هبوب الرياح، بحيث يمكن توزيع هذه الطاقة عندما تكون الشمس غائبة أو الرياح متوقفة. لكن الآن أصبح بالإمكان تخزين الطاقة المتجددة لفترات طويلة الأمد بفضل نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية.
أجهزة التخزين التقليدية
تُعد بطاريات الليثيوم- ايون أشهر أنواع البطاريات المستخدمة لتخزين الشحنات الكهربائية وتستخدم في مختلف أنواع الأجهزة الإلكترونية وبعض محطات تخزين الطاقة ولكن هذه البطاريات مناسبة فقط للتخزين قصير الأمد وذلك لأن الشحنات المُخزنة ستُفقد مع مرور الوقت. ولتخزين الطاقة لمدة طويلة -أشهر أو سنوات- فإن ذلك يتطلب استخدام العديد من البطاريات وهذا الخيار غير مجدٍ اقتصاديًا.
نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية
ابتكر فريق بحث هندسي في المعهد الدولي لتحليل النظم التطبيقية في النمسا بقيادة المهندس «جوليان هانت-Julian Hunt» نظاماً جديداً لتكملة استخدام بطاريات أيونات الليثيوم لتخزين الطاقة على المدى الطويل. يدعى هذا النظام ب نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية «Mountain Gravity Energy Storage» أو اختصارًا ب «MGES». وعلى غرار نظام الطاقة الكهرومائية، يعمل نظام «MGES» على تخزين المواد على ارتفاع معين لإنتاج طاقة الجاذبية الأرضية. يتم استرجاع الطاقة عندما تسقط المواد المُخزنة مما يؤدي إلى تحريك زعانف «التربينات-turbines» فتتولِّد الطاقة.
يقول هانت : “بدلاً من إنشاء سد، نقترح بناء خزان كبير مصنوع من الرمل أو الحصى”. إنّ مفتاح نظام «MGES» يكمُن في إيجاد موقعين على قمة الجبل لهما فرق ارتفاع مناسب – يعتبر ارتفاع 1000 متر ارتفاعًا مثاليًا وكلما زاد فرق الارتفاع، كلما قلت تكلفة التكنولوجيا المستخدمة”.
ستبدو المواقع متشابهة، حيث سيتكوّن كلاهما من محطة تشبه النفق لتخزين الرمال أو الحصى، ومحطة للتعبئة تقع تحتها مباشرةً. ستقوم الصمامات بإخراج المواد إلى أوعية انتظار، والتي لاحقاً سوف تُنقَل عبر الكوابل والرافعات إلى الموقع العلوي. وهناك، سوف يتم تخزين الرمال والحصى إلى أسابيع أو شهور أو حتى عدة سنوات، حتى يصبح جاهزاً للاستخدام. عندما يتم نقل المواد لأسفل الجبل، سوف تتحرر طاقة الجاذبية المخزّنة وسوف يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية.
مخطط توضيحي ل نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية
حسابات رياضية لكمية الطاقة المخزنة
تحسب الطاقة المخزنة من خلال المعادلة التالية:
حيث تتناسب كمية الطاقة المخزنة تناسبًا طرديًا مع كلٍ من:
كتلة الرمل أو الحصى ms
فرق الارتفاع بين الجبل و الأرض h
عجلة الجاذبية الأرضية g
مفاقيد النظام ehنتيجة للتفريغ عند محطة التخزين العلوية ومحطة التوليد السفلية
كفاءة النظام es وتُقدر ب 85 % ، وذلك بالنظر إلى أن المصاعد القياسية المستخدمة لديها كفاءة تتراوح بين 80% إلى 60%.
المعاملات المؤثرة في كمية الطاقة المخزنة في نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية
نظام أكثر مرونة
يعتبر هذا النظام المقترح النظام مرنًا للغاية، لأنه من السهولة تغيير سرعة الكوابل أو زيادة الحمل أو حتى تغيير عدد الأوعية حتى تلبّي متطلبات الطاقة المختلفة. كما أنّ نظام «MGES» أفضل من طرق التخزين طويلة الأمد التقليدية مثل الطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها بالضَّخ أو كالسدود؛ لأن تأثيرها على البيئة منخفض. إضافةً إلى أنًّ أكوام الرمل رخيصة وهي أرخص من الماء. والرمال لا تتبخر لذلك يمكننا استخدامها إلى أجلٍ غيرِ مسمىً.”
تُقدر التكلفة السنوية لتخزين الطاقة عبر هذا النظام بين 50 إلى 100 دولار لكل ميغا واط.ساعة «MWh». بالمقارنة، تكلِّف بطاريات أيون الليثيوم عشر مرات أكثر على الأقل. يُضيف “هانت” : ” سوف يتم تعويض الطاقة المستهلكة في نقل المواد إلى المواقع التي بالأعلى عن طريق طاقة الجاذبية التي سوف ينتجها النظام”.
أين يمكن أن يُستخدم هذا النظام الجديد؟
حسب ما ذكره المهندس ” هانت ” فإن نظام «MGES» سيكون مفيدًا للغاية للشبكات التي تحتاج متطلبات تخزين طاقة قليلة.ومثالًا على ذلك الشبكات الميكروية «microgrids» التي تستخدم أقل من 20 ميغا واط، أو كمية الطاقة التي تستهلكها لإضاءة 7000 منزل مكون من أربع غرف نوم. هذه التقنية يمكن تطبيقها على جزر صغيرة أو منعزلة كجزيرة «Molokai» في هاواي أو جزيرة «The Galapagos» أو «Cape Verde»، حيث تكون هناك تكلفة توفير الطاقة مرتفعة والطلب عليها يكون موسمياً بسبب السياحة.
هو برج جرس في بيزا، إيطاليا. يشتهر برج بيزا عالميا بميله البارز من جانب واحد. بنيت أسس البرج على باطن ناعم واجه صعوبة في دعم وزن البرج (14500 طن). عندما بدأ الطابق الثاني، أصبح الميلان ملحوظا وتفاقم سوءا مع استمرار البناء. في الأصل انحنى البرج بزاوية 5.5 درجة، بعد أعمال الترميم بين عامي 1990 و2001، تم تخفيض هذه الزاوية إلى 3.97 درجة. يبلغ ارتفاع البرج المكون من 8 طوابق من الجانب المنخفض 55.86 م، ومن الجانب العلوي 56.67 م. بدأ إنشاء برج بيزا في عام 1173 وانتهى في عام 1372. توقف البناء وأعيد تشغيله مرتين على مدى 199 عاما بسبب الحروب. توقفت الحرب عن البناء لأول مرة منذ ما يقرب من قرن من الزمان مما أعطى الوقت الكامن للتربة للاستقرار والضغط. 1
بسبب هذا الميلان الذي لم يكن مخطط له أصبح برج بيزا من اشهر معالم العالم. لفهم السبب في أن البرج بدأ يميل، يجب أن نلقي نظرة على الموقع الجغرافي لمدينة بيزا الصغيرة. تقع بلدة بيزا الصغيرة بين نهري أرنو وسيرشيو، وتقع بالكامل على التربة الغرينية المكونة أساسا من الرمال والطين والقذائف. التركيبة الخاصة لهذه التربة تجعلها ناعمة جدا وغير مناسبة لتحمل الأحمال الثقيلة. لذا، فإن السبب الذي يجعلنا نعجب اليوم بهذا البناء المتميز هو التربة غير المستقرة التي بني عليها. بدأ البرج يميل حوالي خمس سنوات في بنائه عندما أنهى البنائين المستوى الثالث (ارتفاع حوالي 23 متر). بما أن التصميم الأصلي خطط لما مجموعه ثماني طوابق، فقد أصبح من الواضح على الفور أنه يجب إيقاف البناء حتى يتم العثور على حل لمشكلة غرق الأساس. في غضون ذلك، تم بناء برجين آخرين على الأقل في بيزا يتبعان نفس الإيمان: برج الجرس سان ميشيل ديغلي وبرج الجرس سان نقولا. بدأ كلا البرجين يميلان بعد البناء. ومع ذلك، بخلاف برج بيزا، استمرت الأعمال في هذين البرجين الآخرين دون انقطاع مما أدى إلى أبراج مستقيمة، تم بناؤها وفقا لتصميمها الأصلي تماما. من غير المعروف ما إذا كان هذا يرجع إلى حقيقة أن تلك الأبراج أقصر وبالتالي فهي أقل عرضة لخطر الانهيار أو أنها فقط بسبب أن الأبراج بدأت تغرق بعد الانتهاء منها. ما يجعل برج بيزا فريدا، هو الجهد الهندسي المبذول لمواصلة البناء على الرغم من الظروف غير المواتية للتأسيس. للتغلب على الميل الثقيل، كان على المهندسين مراجعة التصميم وتغيير هندسة البرج لتعويض الميل غير المخطط له. والنتيجة هي شكل الموز الفريد للبرج الذي يظهر بوضوح عند الدخول من الباب الغربي للساحة. كل يوم تشرق الشمس على البرج على جانبها الجنوبي، من الشرق في الصباح إلى الغرب في المساء. في إيطاليا، يكون الإشعاع الناتج عن الشمس قويا جدا ويتسبب في زيادة درجة حرارة الأسطح المعرضة لأشعة الشمس المباشرة. بشكل خاص في فصل الصيف حيث درجة حرارة الهواء يمكن أن تتجاوز 40 درجة مئوية. في هذه الحالة، يؤدي التمدد الحراري للجانب الجنوبي للبرج إلى زيادة طوله (ارتفاعه). لا يخضع الجانب الشمالي (الذي لم يتم تعريضه للإشعاع مباشرة) لنفس التغير في الحجم. إذا كان البرج يميل في اتجاه الشمال، لكانت هذه الظاهرة قد زادت من ميلها، وربما تنتهي في انهيار كارثي. كانت حقيقة أن البرج يميل في اتجاه الجنوب أمرا أساسيا حتى يقف حتى اليوم. عندما استؤنفت أعمال البناء، نجح كبير المهندسين جيوفاني دي سيموني في جعل البرج يقف. كانت زاوية الميل للبرج المكتمل حديثا حوالي 1.4 درجة. تشير التقديرات إلى أن البرج استمر في التراجع بمعدل 0.05 بوصة سنويا، حتى عام 1993 عندما وصل إلى درجة الميل 5.5. في تلك المرحلة، تم اعتبار البرج في خطر الانهيار وكان مغلقا أمام الجمهور. عندما أعاد البرج فتح أبوابه أمام الجمهور في عام 2001، تم تخفيض زاوية الإمالة بنجاح إلى أقل من 4.0 درجة. وفقا للخبراء، فإن الظروف الحالية للتربة جيدة بما يكفي لضمان بقاء البرج لمدة 200 عام على الأقل. ما لم يضرب زلزال توسكانا، مثل تلك التي تسببت في تدمير أبروتسو وأجزاء أخرى من إيطاليا. 2
يعزى تصميم البرج على نطاق واسع إلى Guglielmo و Bonanno Pisano، لكن الدراسات الحديثة تشير إلى أن المهندس المعماري Diotisalvi ربما شارك في التصميم. في حين أن المهندس المعماري الأصلي للبرج لم يتم التحقق منه على الإطلاق، فمن المعروف أن الكثير منهم قد عملوا على ذلك، بما في ذلك: Bonanno Pisano و Gerardo di Gerardo في المرحلة الأولى، و Giovanni Pisano، و Giovanni di Simone خلال المرحلة الثانية قبل أن يشرف Tommaso di Andrea Pisano على استكماله.
بسبب المستنقعات الكامنة في باطن الأرض هناك العديد من الأبراج الأخرى في بيزا مع قضايا إمالة أقل وضوحا. 1
تعتبر الطاقة الشمسية إحدى مصادر الطاقة المتجددة التي ساهمت بشكل كبير في مكافحة مشكلة الاحتباس الحراري الناتج من استخدام الوقود الأحفوري في محطات توليد الكهرباء. ولكن ما يُعيب الطاقة الشمسية أن كفاءة الألواح الشمسية الإنتاجية منخفضة.
طوال الأربعين سنة الماضية ظلت هذه المشكلة تؤرق الباحثين وظلوا يعكفون لإيجاد حل لها حيث درسوا هذه المشكلة في حوالي 270 بحث علمي وفي عام 2019 أوضحت دراسة وجود عيب مادي لم يسبق اكتشافه في مادة السيليكون المستخدمة في تصنيع الخلايا الشمسية.
مفاهيم عامة
قبل البدء بالاطلاع على الاكتشاف الجديد للمسبب الرئيسي في تقليل كفاءة الألواح الشمسية، سنتعرف على بعض المصطلحات العلمية المتعلقة بأشباه الموصلات.
«أشباه الموصلات-Semiconductors»: هي عناصر تجمع بين خصائص العناصر الموصلة للكهرباء والعناصر العازلة للكهرباء وذلك يتعمد على درجة حرارة هذه العناصر. ففي درجات الحرارة المنخفضة تكون هذه العناصر غير موصلة للشحنة الكهربائية ولكن عند ارتفاع درجة حرارتها تنتقل الالكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. تصنع أشباه الموصلات من السيليكون والجرمانيوم وتدخل في تكوين معظم الدوائر المتكاملة وأيضا تستخدم في أنظمة توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية.
«حاملات الشحنة-Charge Carriers»: هي عبارة عن جسيمات حرة الحركة تحمل شحنة كهربائية وفي أشباه الموصلات هناك نوعان من حاملات الشحنة: النوع الأول هو الإلكترونات والنوع الآخر هي «الفجوات-Holes» التي يتركها الالكترون الحر في نطاق التكافؤ.
حركة الفجوات والإلكترونات داخل شبه موصل
درسات بحثية حول انخفاض كفاءة الألواح الشمسية
في دراسة علمية نشرت في مجلة الفيزياء التطبيقية «Journal of Applied Physics» عام 2019، قام بها باحثون من جامعة مانشستر البريطانية توصلوا فيها إلى اكتشاف يحدد الخلل المادي في السيليكون الذي يستخدم في إنتاج الطاقة الشمسية والذي يرجحون أنه قد يكون سببًا في انخفاض كفاءة الطاقة بنسبة 2 %. يقول «توني بيكر-Tony Peaker» وهو أحد الباحثين المشاركين في الدراسة: “نظرًا للتأثير البيئي فإن انخفاض كفاءة الألواح الشمسية كان موضوع اهتمام علمي وهندسي كبير في العقود الأربعة الماضية”.
تحليل مشكلة انخفاض كفاءة الألواح الشمسية
خلال الساعات الأولى من التشغيل، تنخفض كفاءة الألواح الشمسية من 20 % إلى حوالي 18 % . قد يبدو أن هذا الانخفاض بنسبة 2% لا يمثل مشكلة كبيرة، ولكن عندما تفكر في أن هذه الألواح الشمسية مسؤولة عن توفير جزء كبير ومتزايد من إجمالي احتياجات الطاقة في العالم، فهي خسارة كبيرة في قدرة توليد الكهرباء. في الواقع، يقدّر الباحثون أن الخسارة المقدرة في الكفاءة في جميع أنحاء العالم تفوق ما تولده محطات الطاقة النووية الخمس عشرة في المملكة المتحدة. وقد يساعد الاكتشاف الجديد العلماء في تعويض هذا الخسارة
ومن أجل معرفة الأسباب التي تؤدي إلى نقص كفاءة الألواح الشمسية، استخدم الباحثون تقنية كهربائية تسمى “التحليل الطيفي العابر عميق المستوى ” «deep-level transient spectroscopy» وتعرف اختصارًا ب «DLTS» وهي أداة تجريبية لدراسة العيوب النشطة كهربائيًا في أشباه الموصلات وبواسطتها يتم تحديد علامات الخلل الأساسية وقياس تركيزها في المواد.
وقد اتبع الفريق هذه التقنية من أجل العثور على نقاط الضعف في السيليكون، حيث كشف الفريق العلمي عن وجود عيب كامن في استخدام السيليكون لتصنيع الخلايا، إذ أنه يتم تحويل للشحنة الإلكترونية داخل الجزء الأكبر من الخلية الشمسية السيليكونية تحت أشعة الشمس. وقد وجد الفريق أن هذا التحويل ينطوي على عائق يمنع تدفق حاملات الشحنة المولدة بما يشبه الفخ الذي تقع فيه الشحنات المتدفقة.
مخطط تفصيلي لنظام DLTS المستخدم لدراسة العيوب في أشباه الموصلات
وبحسب ما ذكره الباحثون فإن تدفق الإلكترونات هذا هو ما يحدد كمية التيار الكهربائي الذي يمكن للخلية الشمسية توصيله إلى الدائرة، وبالتالي فإن أي شيء يعيقه يقلل بشكل فعال من كفاءة الخلايا الشمسية وكمية الطاقة الكهربائية التي يمكن توليدها وفقا لأشعة الشمس الواصلة إليها. ووجد فريق البحث أن هذا العيب يظل خامدًا إلى أن تُسخن الألواح الشمسية.
نتائج أخرى
ووجد الباحثون أيضًا أن السيليكون عالي الجودة يحتوي على حاملات شحنة ذات عمر افتراضي أكبر ، وهو ما يدعم فكرة أن هذه العوائق مرتبطة بتدهور الكفاءة. والأكثر من ذلك ، فإن تسخين ألواح السيليكون في الظلام -وهي عملية تستخدم غالبًا لإزالة العوائق من السيليكون- قد تعكس عملية تراجع الكفاءة التي تحدث خلال الساعات الأولى من بدء تشغيل الألواح الشمسية.
لقراءة المزيد من المقالات المتعلقة بالطاقة الشمسية اضغط هنا و هنا
يقال أن رواد الفضاء العائدين من الفضاء يواجهون تحولا في منظورهم لأنهم يكتشفون مدى صغر كوكبنا الأزرق في الفضاء. من بين أكثر الأساطير شعبية حول الغضاء هي إمكانية رؤية سور الصين العظيم من المدار، كما يقول البعض أنه البنية الوحيدة التي صنعها الإنسان والتي يمكن رؤيتها من الفضاء والقمر. بالطبع كلها أساطير لا أساس لها من الصحة!
لكن إليك أربعة أشياء يمكنك رؤيتها من الفضاء بالفعل، كما سنعرض لك سبب عدم قابلية رؤية سور الصين العظيم من الفضاء:
1- الأهرامات العظيمة بالجيزة:
لقد صمدت هذه الأهرامات أمام الأضرار التي تسببت بها الحروب، رياح الصحراء والتعرية على مر آلاف السنين. في حين هناك العديد من نظريات المؤامرة التي تقول أن الأهرامات من صنع الكائنات الفضائية. لكن في الحقيقة أن ما يربطها بالفضاء هو إمكانية رؤيتها هناك.
صورة ملتقطة من طرف ناسا للأهرامات العظيمة بالجيزة.
2-الدفيئات الزراعية بالميرية:
تعتبر الميرية مدينة إسبانية قاحلة وجافة جدا، فقد كانت في الماضي موقعا استراتيجيا يلجأ إليه مصوري أفلام السباغيتي. لكن، خلال العقود الأخيرة تحولت المدينة بفضل تقنيات الزراعة المائية إلى أكبر دفيئة زراعية بأوروبا. تغطي العديد من الدفيئات الزراعية المنطقة، فتعكس المزيد من الضوء فتسهل رؤيتها من المدار.
3- الجزر الإصطناعية بدبي:
جزر النخيل عبارة عن سلسلة من الجزر الصناعية على ساحل دبي أنشأت برمال الخليج الفارسي فتسهل رؤيتها من الفضاء بشكل مبهر.
جزر النخيل بدبي
4- المنشأة الصينية التي يمكنك رؤيتها من الفضاء:
لقد ذكرنا مسبقا أنه لا يمكن رؤية سور الصين العظيم من الفضاء ولو في مدار منخفض، وذلك لأنه لا يوجد تباين كاف بين لون السور والمناظر الطبيعية المحيطة به كما أن بنيته ضيقة نوعا ما.
لكن الحقيقة المحزنة هي أن جزء من الصين غير مرئي من الغضاء إلا في حالة استخدام عدسة تكبير خاصة وذلك بسبب تلوث الهواء في البلاد. ففي الرابع من ديسمبر 2016، اعتبرت بيكين منطقة خطرة بسبب الضباب الدخاني وجودة الهواء غير الآمنة.
على مدى زمن طويل اعتبرت مشاكل التلوث بالصين محط أنظار النشرات الإخبارية. لحسن الحظ، بدأت الحكومة الصينية سنة 2017 بفرض جهود مكثفة للتخلص من التلوث وقاموا باستثمارات كبيرة في الطاقات النظيفة، وبالفعل لوحظت نتائج إيجابية.
ونأمل أن تستمر بيكين في نقاء سمائها من الضباب الدخاني السام، ونبقي عقولنا خالية من الأساطير السامة!
هناك مجال جديد نسبيا للبحث، وهو “علم النفس المعماري”.
الهدف من هذا المجال الأكاديمي هو استكشاف تأثير الفراغ المعماري على البشر، ومشاعرهم وسلوكهم، وصياغة توصيات لتخطيط وتصميم المباني. يطرح هذا المجال البحثي أسئلة حول تأثير الفراغ المعماري و المساحات الداخلية و الخارجية على الأشخاص من الناحية المعرفية والعاطفية والاجتماعية، كيف يمكن تصميم المنازل والمكاتب والمباني بشكل عام وهيكليتها، بحيث تقلل من الإجهاد أو تعزز الرفاه؟
حيث يعيد المهندسيين المعماريين التفكير في تأثير المباني على مشاعرنا في عصر “الهندسة العصبية”.
“بنينا مبانينا ومن ثم هي من بنتنا”، صرح بهذه المقولة ونستون تشرشل عام 1943.
بعد أكثر من 70 عاما، سيكون من دواعي سروره بلا شك معرفة أن علماء الأعصاب وعلماء النفس قد وجدوا الكثير من الأدلة لدعمه
بأن الفراغ المعماري يمكن أن يؤثر على مزاجنا ورفاهيتنا، وأن الخلايا المتخصصة في منطقة الحصين من أدمغتنا تتوافق مع هندسة وترتيب المساحات التي نعيش فيها.
لكن المهندسين المعماريين في المناطق الحضرية غالبا ما يولون اهتماما ضئيلا للآثار المعرفية المحتملة لإبداعاتهم على سكان المدينة. تميل ضرورة تصميم شيء فريد من نوعه إلى تجاوز الاعتبارات المتعلقة بكيفية تشكيل سلوكيات أولئك الذين سيعيشون معها.
اليوم، بفضل الدراسات النفسية، لدينا فكرة أفضل بكثير عن نوع البيئات الحضرية التي يحبها الناس و يجدونها محفزة.
ففي الشهر الماضي، نظر مؤتمر المدن الواعية في لندن في كيفية جعل اكتشافات العلماء مفهومة لدى المهندسين المعمارين.
وقال أحد المتحدثين في المؤتمر، أليسون بروكس، وهي مهندسة معمارية متخصصة في الإسكان والتصميم الاجتماعي، إن الأفكار المستندة إلى علم النفس يمكن أن تغير كيفية بناء المدن.
وتقول: “إذا كان العلم يمكن أن يساعد مهنة التصميم في تبرير قيمة التصميم الجيد والحرفية، فستكون أداة قوية للغاية وربما تغير نوعية البيئة المبنية”.
من شأن التفاعل الأكبر بين التخصصات، على سبيل المثال، أن يقلل من فرص تكرار قصص الرعب المعمارية مثل مجمع برويت إيجو السكني في الخمسينيات في سانت لويس بولاية ميسوري، والذي يضم 33 مبنى سكني متميزا، صممه مينورو ياماساكي، المسؤول أيضا عن التجارة العالمية.
سرعان ما أصبح سيئ السمعة بسبب جريمتهم، وضعفهم الاجتماعي. جادل النقاد بأن المساحات المفتوحة الواسعة بين الكتل الشاهقة في الحداثة عطلت الإحساس بالانتماء إلى المجتمع، خاصة مع ارتفاع معدلات الجريمة.
تم هدمهم في نهاية المطاف في عام 1972.
إن الافتقار إلى البصيرة السلوكية وراء مشاريع الإسكان الحديثة في تلك الحقبة، وشعورهم بالعزلة عن المجتمع الأوسع والأماكن العامة الخاطئة، جعل الكثير منهم يشعرون، على حد تعبير الفنانة البريطانية تيني تمبا، التي نشأت في واحد، كما لو أنهم “صمموا لكي لا تنجحوا”.
كما جرت دراسات تدعم هذه الفكرة تعتمد على قياس الاستجابات الفسيولوجية للأفراد في الموقع، وذلك باستخدام أجهزة يمكن ارتداؤها مثل الأساور التي تراقب سلوك الجلد (علامة على الإثارة الفسيولوجية)، وتطبيقات الهواتف الذكية التي تسأل موضوعات عن حالتهم العاطفية، وسماعات رأس الدماغ الكهربائي (EEG) قياس نشاط الدماغ المتعلقة بالحالات العقلية والمزاج.
وقال كولن إيلارد، الذي يبحث في التأثير النفسي للتصميم في جامعة واترلو في كندا: “هذا يضيف طبقة من المعلومات التي يصعب الحصول عليها، عندما نسأل الناس عن إجهادهم يقولون إن هذا ليس بالأمر الكبير، ولكن عندما نقيس فسيولوجياتهم نكتشف أن ردودهم تكون خارج المخططات. الصعوبة تكمن في أن حالتك الفسيولوجية هي الحالة التي تؤثر على صحتك، إن إلقاء نظرة فاحصة على هذه الحالات الفسيولوجية يمكن أن يلقي الضوء على كيفية تأثير تصميم المدينة على أجسامنا”.
كما أن الهندسة المعمارية الخاطئة والأقل شأنا، إلى جانب عوامل أخرى، يمكن أن تعزز التوتر وتشجع الإرهاق وتحث على الأعراض النفسية الجسدية وحتى تعزز الانزعاج البدني. وكقاعدة عامة، لا تظهر هذه الآثار على الفور، ولكنها تظهر غالبا بعد فترة أشهر أو سنوات. وهذا يتيح الاستنتاج العكسي بأن المساحات يمكن أن تدعم أيضا عمليات الشفاء وتعزز الرفاه.
من أجل الشعور بالراحة في بيئة، لا يتطلب فقط مناخ داخلي لطيف. يلعب الضوء والمصانع والمواد وأساليب البناء ودرجة الحرارة وظروف الجو أيضا دورا في الرفاه والصحة.
علينا أن نضع في اعتبارنا أن البشر لديهم تصور كلي: حواسنا تؤثر على تفكيرنا ومشاعرنا وأفعالنا وبالتالي على الجسم كله إذا تم تحفيز حواسنا بشكل إيجابي، يمكن أن يكون لهذا تأثير منشط أو مهدئ. ونتيجة لذلك، يمكن للمساحات المحيطة أن تؤثر على تفكيرنا، وأنماط العمل، وتعزيز الدافعية واستعدادنا للعمل، وتعزيز أدائنا أو التركيز. إذا شعرنا بعدم الارتياح في الأماكن، فقد يؤدي ذلك إلى الشعور بعدم الراحة أو فرط الحساسية أو الخمول أو حتى القلق.
البيئة المعيشية التي نتحرك فيها ونحيط بها هي أرض خصبة لتطورنا. بالمعنى الإيجابي، يمكن أن تساهم المساحات في تعزيز شعورنا باحترام الذات والرضا. قد يتسبب العجز في هذا المجال في عدم الرضا والأرق والغربة والإهمال.
أن المرضى وكبار السن والأطفال مرتبطون ببيئتهم المعيشية أكثر من غيرهم، وبالتالي سيتأثرون بشدة بالأوضاع المكانية.
كلما كنا غير آمنين، كان تأثير البيئة أقوى علينا.
ومع ذلك، في الحالة الإيجابية، يمكن للهندسة المعمارية المصممة جيدا تسريع عمليات الشفاء (على سبيل المثال في المستشفيات)، وتقوية التمارين والحيوية، والمهارات العاطفية والمعرفية، والمهارات الاجتماعية التفاعلية والتواصلية.
لذلك من الضروري أن يراقب المهندسون المعماريون الوظائف المعمارية وتأثيرها على البشر. اعتمادا على المبنى، على سبيل المثال يجب أن تشع المستشفى بالسلام والثقة والأمل وفقاةلذلك، كما يجب أن تثير المدرسة الفضول والفرح والإثارة ويجب أن يدعم المكتب بالإبداع والإنتاجية والتركيز.
كيف لغدد الأفاعي السمية المُخلقة معمليًّا إفراز سم حقيقي؟!
تقتل الأفاعي السامة – أو تصيب اصابات بالغة – أكثر من نصف مليون شخص كل عام. ومع ذلك، لا يعرف الباحثون الا القليل عن الكيمياء الحيوية وراء السم، مما يعقد الجهود لتطوير العلاجات.
وفي ضوء الخلايا الجذعية، تمتلك تلك الخلايا القدرة على التمايز إلى أنواع متعددة اعتمادًا على البيئة المحيطة بها. والعلاج بالخلايا الجذعية يعتبر نهج حديث ومبتكر في الطب التجديدي والذي يجلب ثورة في مستقبل جميع العلاجات الطبية حيث يساعد في تجديد الخلايا التالفة في الجسم.
كما بدأ العلماء استخدامها لخلق عضيات صغيرة تشبه بشكل كبير الموجودة بأجسام الكائنات الحية المحاكية لها. حيث ابتكروا أعضاء صغيرة – أو عضيات – من الخلايا الجذعية البشرية والخاصة بالفئران البالغين لسنوات. واستخدمها العلماء حتى الآن لخلق العضيات مثل كبد صغير، أو أمعاء، وحتى الأدمغة بدائية، لكنها لم تجرب مع خلايا الزواحف من قبل.
العرض الأول للزواحف!
وهنا نجح الباحثون في زراعة أعضاء مصغرة من خلايا جذعية ثعبانية في المختبر تعمل تمامًا مثل الغدة السمية للأفعى؛ حتى أنها تنتج نفس طبيعة السم الحقيقي.
يقول بعض العلماء من نفس التخصص عن الدراسة:
“إنها طفرة كبيرة، يفتح هذا العمل إمكانيات دراسة البيولوجيا الخلوية لخلايا إفراز السم على مستوى جيد جدًا، وهو ما لم يكن ممكنًا في الماضي. كما أن التقدم يمكن أن يساعد الباحثين على دراسة سم الثعابين النادرة التي يصعب الاحتفاظ بها في الأسر، مما يمهد الطريق لعلاجات جديدة لمجموعة متنوعة من السموم.”
من خلية واحدة الى غدة افرازية حيوية!
الغدد السمية للثعبان المنموة بالمختبر
بداية، قام هانز كليفر – عالم الأحياء الجزيئية من معهد وواحد من أهم علماء الكائنات العضوية في العالم – وزملاؤه بإزالة الخلايا الجذعية من غدد السم لتسعة أنواع من الأفاعي – بما في ذلك الكوبرا المرجانية وأفعى الألماس – ووضعوها في وسط به مجموعة من الهرمونات والبروتينات تحتوي عوامل النمو.
ولدهشة الفريق، استجابت الخلايا الجذعية للأفعى لنفس عوامل النمو التي تعمل على خلايا الإنسان والفأر. وهذا يشير إلى أن بعض جوانب هذه الخلايا الجذعية نشأت منذ مئات الملايين من السنين عن سلف مشترك بين الثدييات والزواحف.
بحلول نهاية الأسبوع، كانت خلايا الثعابين قد نمت لتصبح كتل صغيرة من الأنسجة، يبلغ عرضها نصف ملليمتر تقريبا بحيث ترى بالعين المجردة. وعندما أزال العلماء عوامل النمو، بدأت الخلايا تتحول إلى خلايا طلائية epithelial cells والتي تنتج السم في غدد الثعابين الحقيقية. كما وجد تشابه كبير بين جينات تلك العضيات والجينات الموجودة في الغدد الحقيقية للسموم.
كما تم اختبار السم الصناعي على الفئران لمعرفة مدى فعاليته بالنسبة للسم الحقيقي، فعطل وظائف خلايا عضلة الفأر وخلايا الفئران العصبية بطريقة مشابهة للسم الحقيقي تماما بطريقة مدهشة. وهكذا وباستخدام الخلايا الجذعية عرفنا كيف لغدد الأفاعي السمية المُخلقة معمليًّا إفراز سم حقيقي؟!
ماذا بعد؟!
والآن بعد أن ابتكر كليفرز وزملاؤه طريقة لدراسة تعقيد الغدد السامة والسموم دون الحاجة للتعامل مع الثعابين الحية والخطيرة، يخطط العلماء لانشاء بنك حيوي يجمع العديد من تلك العضيات المجمدة من الزواحف السامة في جميع أنحاء العالم والذي يمكن أن يساعد الباحثين في العثور على علاجات أوسع.
يعتقد العلماء أن سم الأفعى قد يحمل المفتاح لعلاج العديد من الأمراض والأعراض من الألم وارتفاع ضغط الدم وحتى السرطان.
ماذا عن غزل الأنسجة البشرية لخياطة الجروح بدلا من الصناعية؟!
قد تنتابك القشعريرة عند سماعك فكرة غزل الأنسجة البشرية لخياطة الجروح، لكن وعلى الصعيد الأخر، فانها تعتبر فوزًا كبيرًا للأطباء في المعهد الوطني الفرنسي للبحوث الطبية والصحية، الذين يأملون في أن تصبح في نهاية المطاف تقنية شائعة.
فقد نجح الأطباء في إنتاج خيوط غزلية من خلايا الجلد البشرية في إنجاز يمكن أن يغير يومًا ما كيفية قيام الأطباء بخياطة الجروح والأعضاء المزروعة.
انتظر لحظة، مم تتكون الخيوط الجراحية الحالية؟
خيط جراحي.
الخياطة الجراحية أولا هي عملية إغلاق الجروح عن طريق تقريب حواف الجرح من بعضها باستخدام خيوط جراحية خاصة ومعقمة تسمى “القطب”.
هناك عدة أنواع من القطب ولكل منها خصائص تختلف بحسب المواد المصنوعة منها وعدد الشعيرات التي يتكون منها الخيط الواحد.
قديما كانت تصنع الخيوط الجراحية من مواد مختلفة، فكانت الخيوط الأصلية تصنع من مواد طبيعية مثل الخيط القصابي والحرير. أما الخيوط الحديثة فأكثرها صناعية ومن مواد مختلفة وتقسم لنوعين رئيسين:
مواد قابلة للإمتصاص مثل متعدد حمض الغليكوليك وعديد حمض اللبنيك ومونوكريل ومتعدد ثنائي أكسانون. وهي مواد يقوم الجسم بتحليلها بعد فترة من الزمن أثناء عملية شفاء الجرح.
مواد غير قابلة للإمتصاص مثل النايلون ومتعدد الإستر وثنائي فلوريد متعدد الفينيليدين وعديد البروبيلين. وتتطلب من الطبيب أن يقوم بإزالتها بعد شفاء الجرح.
كيف تمكنوا من غزل أنسجة الجلد البشري؟
قد يبدو ذلك غريبا، ولكن طريقة غزل النسيج البشري حاكي تماما طريقة غزل الأقمشة والمنسوجات. حيث يتم فيها:
تقديم الأنسجة الجلدية على شكل صفائح كبيرة مسطحة.
تقطع إلى شرائح طويلة وتمزج في مادة تشبه الغزل المناسبة للاستخدام الجراحي.
ويمكن أيضا تجفيف الغزل البشري للتخزين أو قبل أن يتم ربطه معًا لاستخدامه في خياطة الجروح أو صناعة “الكروشيه” كما قال أحد القائمين على الدراسة ضاحكا.
وقال الباحث الرئيسي نيكولاس لوريو لصحيفة ” New Scientist” ضاحكا:
وكتب الباحثون في مقال نشر في مجلة “Acta Biomaterialia”:
“توفر هذه المنسوجات البشرية مستوى فريدًا من التوافق الحيوي وتمثل جيلًا جديدًا من منتجات هندسة الأنسجة البيولوجية تمامًا”.
“كما تتمثل الميزة الرئيسية للغزل في أنه على عكس المواد الجراحية الاصطناعية التقليدية، لا تؤدي المادة إلى استجابة مناعية يمكن أن تعقد عملية الشفاء.”
لم يتم استخدامها على البشر حتى الآن!
لا داعي للهلع حاليا، فقد استخدم الباحثون ذلك النسيج البشري في خياطة جروح الفئران فقط ومساعدتها على الشفاء التام على مدار أسبوعين فقط. حتى أنهم ابتكروا تطعيما جلديًا باستخدام نوع مُصمم خصيصًا لإغلاق شريان الخراف ومنعها من التسريب.
وجاري الآن الاستعداد لتجربتها على البشر. لذا دعنا نسأل السؤال مرة أخرى فقد، ماذا عن غزل الأنسجة البشرية لخياطة الجروح بدلا من الصناعية؟!
بقدر فائدة تقنية الألواح الشمسية الحالية في سعينا للتحول إلى الطاقة المتجددة، لا يمكن لهذه الألواح إنتاج الطاقة ليلًا. الآن، تشير الأبحاث الجديدة إلى أنه من الممكن تصميم ألواح يمكنها العمل على مدار الساعة و استخدام الألواح الشمسية لإنتاج الطاقة ليلًا.
في ظل الظروف المثلى، يمكن في الليل لهذه الخلايا الكهروضوئية المصممة خصيصًا توليد ربع الطاقة التي تنتجها خلال اليوم، وفقًا للدراسة الجديدة. ولتحقيق ذلك، نحتاج إلى دمج الخلايا الحرارية، وهي أجهزة تولد الطاقة بفضل التبريد الإشعاعي، حيث تترك الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة الحرارية الخلية وتنتج كمية صغيرة من الطاقة في هذه العملية.
يتم بالفعل اختبار الخلايا الحرارية في مجالات مثل التصنيع، حيث يتم استخدامها لتحويل الحرارة المهدرة، مثل درجات الحرارة العالية الناتجة عن المحرك. وفي حالة الألواح الشمسية الليلية، فإن توجيه مثل هذه الخلية إلى سماء الليل الباردة هو وسيلة لتسخير هذه العملية.
يقول جيريمي موندي، مهندس الكهرباء والكمبيوتر من جامعة كاليفورنيا في ديفيس:
“كنا نفكر ، ماذا لو أخذنا أحد هذه الأجهزة ووضعناها في منطقة دافئة ووجهناها إلى السماء”.
لتحقيق هذا التأثير بإشعاع الأشعة تحت الحمراء، سوف نحتاج أنواعًا مختلفة من المواد للألواح الشمسية العادية، والتي تميل إلى التركيز على الضوء المرئي (على الرغم من أن الباحثين جربوا أيضًا الخلايا التي يمكنها التقاط كليهما).
الخطوة التالية هي معرفة أي مزيج من المواد والإلكترونيات قد ينتج لوحة فعالة يمكنها استخدام السماء الليلية والمساحة كوعاء حراري.
كيف تنتج هذه الألواح الطاقة ليلًا؟
يقول موندي:
“إن الخلايا الشمسية المنتظمة تولد الطاقة عن طريق امتصاص أشعة الشمس، مما يؤدي إلى ظهور الفولتية عبر الجهاز وتدفق التيار”. “في هذه الأجهزة الجديدة ، ينبعث الضوء بدلاً من ذلك ويسير التيار والجهد في الاتجاه المعاكس، لكنك لا تزال تولد الطاقة. عليك استخدام مواد مختلفة، لكن الفيزياء هي نفسها”.
يمكن أن تنتج مزارع الطاقة الشمسية ما يصل إلى 50 واط من الطاقة لكل متر مربع (حوالي 10 أقدام مربعة) في ظل ظروف مثالية، وفقًا لحسابات الباحثين – مما يزيد من إنتاج الطاقة بحوالي 12% بشكل عام في البيئات المفتوحة والقاحلة حيث توجد الكثير من المزارع الشمسية القائم بالفعل.
الألواح لا زالت تحت التطوير!
إنها فكرة تبحث فيها العديد من المجموعات. في العام الماضي، رأينا نظامًا تجريبيًا أنشأه باحثون من جامعة ستانفورد والذي استخدم أيضًا الاختلال الحراري بين السماء ليلا والأرض لتوليد الكهرباء من الأشعة تحت الحمراء.
على الرغم من أنه لا يزال هناك طريق طويل للذهاب إلى توسيع نطاق هذه التكنولوجيا بشكل صحيح بحيث تكون مفيدة من الناحية العملية – في الوقت الحالي، يوجد لدى موندي وزملاؤه نماذج أولية تحت التطوير – إنها طريقة رخيصة وغير مكلفة نسبيًا للحفاظ على تشغيل الخلايا الشمسية على مدار 24 ساعة في اليوم فيضاف إنتاج الطاقة ليلًا للمعادلة.
وخلص الباحثون في بحثهم المنشور إلى أن “الفضاء السحيق يوفر وعاءًا حراريًا منخفض الحرارة مثير للاهتمام ولديه القدرة على المساعدة في توفير الطاقة الكهربائية في الليل والنهار من خلال الاستخدام الذكي للضوء والبصريات وعلوم المواد”.
تم نشر البحث في ACS Photonics. فهل تعتقد أن استخدام الألواح الشمسية لإنتاج الطاقة ليلًا سوف يساعد في حل أزمة الطاقة.
هل حانت نهاية قانون مور؟ معالج باكسل الياباني يجيب
طور مجموعة من الباحثين في اليابان نوعًا جديدًا من المعالجات يُعرف باسم «باكسل-PAXEL» ، وهو جهاز يمكنه أن يتجاوز قانون مور «Moore’s Law» ويزيد من سرعة وكفاءة الحوسبة.
يتم وضع معالج باكسل «PAXEL» ، والذي يمثل مسرع الفوتونات ، في الواجهة الأمامية لجهاز كمبيوتر رقمي ويتم تحسينه لأداء وظائف محددة ولكن مع استهلاك أقل للطاقة مما هو مطلوب للأجهزة الإلكترونية بالكامل.
ترانزستورات تأثير المجال لأكسيد المعدن شبه الموصل أو ما تعرف اختصارًا ب «MOSFET» تمثل الأساس لمعظم الدوائر الإلكترونية المتكاملة، لكنها محدودة بموجب قانون مور، والذي ينص على أن “عدد الترانزستورات في كل إنش مربع من شريحة المعالج سيتضاعف مرتين سنويًا”. ولكن هناك حدًا كامنًا لهذا، وذلك بناءً على الطريقة التي يرتبط بها حجم رقائق المعالجات الدقيقة بالطبيعة الميكانيكية الكمومية للإلكترونات. بالإمكان التغلب جزئيًا على مشكلة قانون مور من خلال استخدام المعالجة المتوازية «Parallel Processing»، حيث تقوم العديد من المعالجات بإجراء حسابات بطريقة متزامنة. ولكن هذه الطريقة لا تعمل مع كل تطبيق.
نظرية عمل تقنيات النانو الضوئية
في ورقة بحثية تم نشرها في «APL Photonics-AIP Publishing»، درس الباحثون طريقة أخرى لاستخدام الضوء في نقل البيانات في الدوائر المتكاملة، حيث أن الفوتونات لا تخضع لقانون مور. وبدلًا من استخدام الدوائر الإلكترونية المتكاملة، ينطوي التطوير الجديد الآن على الدوائر المتكاملة الضوئية (PICs). يعمل مسرع «PAXEL» على هذا النهج ويستخدم تقنيات النانو الضوئية الموفرة للطاقة، والتي هي عبارة عن دوائر ضوئية متكاملة متناهية في الصغر.
تعمل تقنيات النانو الضوئية -مثل تلك المستخدمة في «PAXEL» -، بسرعة الضوء ويمكنها إجراء عمليات حسابية بطريقة تماثلية، بحيث يتم تمثيل البيانات حسب مستويات شدة الضوء. ثم يتم إجراء عمليات الضرب أو الجمع للبيانات الرقمية عن طريق تغيير شدة الضوء. قام الباحثون بتطوير معماريات مختلفة ل “باكسل ” لمجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك الشبكات العصبية الاصطناعية، والحوسبة التخزينية ومنطق بوابة المرور، وتقنيات اتخاذ القرار، والاستشعار المضغوط.
تطبيقات معالج باكسل الياباني
أحد تطبيقات معالج باكسل الياباني المثيرة للاهتمام بشكل خاص هو ما يسمى «بالحوسبة الضبابية-fog computing». وهذه تشبه «الحوسبة السحابية -cloud computing» ولكنها تستخدم واحد أو أكثر من الأجهزة القريبة من المستخدم «خوادم-Servers» لإتمام كمية كبيرة من التخزين -عوضًا عن تخزينها تخزينًا أساسيًا في مراكز البيانات السحابية -. ويمكن لمعالج «PAXEL» المدمج ضمن جهاز لوحي أو أي جهاز محمول باليد اكتشاف الإشارات ونقل المعلومات من خلال خوادم لاسلكية 5G إلى خوادم حوسبة الضباب لتحليل البيانات.
تقنيات النانو الضوئية ستتجاوز قانون ومور وستزيد من سرعة وكفاءة الحوسبة
المتوقع أن يتم تطبيق هذه التكنولوجيا الجديدة في مجموعة واسعة من المجالات بما في ذلك اختبار الرعاية الطبية والطب البيطري، والتشخيص، واختبار الأدوية والمواد الغذائية، والدفاع البيولوجي. وبما أن الكثير من أجهزتنا المنزلية والتجارية متصلة عبر شبكة الإنترنت، فستكون هنالك حوجة لقدرة حوسبة أفضل، بما في ذلك نقل البيانات بكفاءة عالية. ومن المتوقع أن تساعد التقنيات المشابهة ل «PAXEL» في تلبية هذه الاحتياجات.
اكتشاف نموذج رياضي جديد يُفسِّر تأثير مارانجوني « Marangoni Effect»
هل سبق لك أن شاهدت تلك الدوامات المتلونة كقوس قزح على فقاعات الصابون؟ ما التفسير الفيزيائي لهذه الظاهرة الغريبة؟ تلك الدوامات هي ظاهرة بصرية ناتجة عن تأثير مارانجوني « Marangoni Effect» .
تأثير مارانجوني هو ظاهرة انتقال الحرارة والكتلة إلى المناطق ذات التوتر السطحي العالي داخل السائل. التوتر السطحي هو خاصية للسائل يتسبب في جذب الجزء السطحي من السائل إلى سطح آخر، مثل قطرة الزئبق الموجودة على شكل كرة متماسكة في مقياس درجة الحرارة.يُعد تأثير مارانجوني مسؤولًا عن العديد من الظواهر التي ترتبط بالتوتر السطحي، لعل أبرزها ظاهرة تشكًُل دموع النبيذ وهي عبارة عن حلقة مكونة من سائل شفاف بالقرب من الحافة العلوية الداخلية لكأس النبيذ تتكون فيها باستمرار قطراتٌ -كالدموع-، تسقط مرة أخرى إلى إلى أسفل كأس النبيذ ويرجع هذا التأثير إلى حقيقة أن الكحول يحتوي على توتر سطحي أقل من الماء وقابلية تبخر أعلى من الماء.سُميت هذه الظاهرة باسم الفيزيائي الإيطالي «كارلو مارانجوني -Carlo Marangoni» الذي درس هذه الظاهرة لأول مرة في القرن التاسع عشر.
ظاهرة دموع النبيذ
ومن التجارب ذات السلوك الغريب أيضًا، عند إدخال شوائب غير قابلة للذوبان على سطح حاوية مَمْلُوءَة بالماء ومعرَّضة لتأثير مارانجوني، فإن تلك الشوائب يتم سحبها على الفور إلى جانب حاوية الماء على شكل تدفقات. وهذا بدوره يخلق تدرج في التوتر السطحي مما يجعل السطح مرنًا. هذه التدفقات من الناحية النظرية مفهومة لكنها لا تزال غير متوافقة تمامًا مع الملاحظات التجريبية لتأثير مارانجوني. في دراسة جديدة نشرت في مجلة «EPJE»، اكتشف الباحث «توماس بيكل -Thomas Bickel» من جامعة “بوردو” في فرنسا قوانين رياضية جديدة تحكم خصائص تدفقات مارانجوني.
تطبيقات تأثير مارانجوني
يُستَفادُ من تأثير مارانجوني في العديد من التطبيقات، على سبيل المثال في اللحام وصناعة الكمبيوتر حيث يستخدم في في سياق تجفيف رقائق السيليكون أثناء تصنيع الدوائر المتكاملة. وجد “بيكل” أنه في حالة استخدام مياه أكثر عمقًا، فإن المنطقة التي يتم فيها إزالة الشوائب تتناقص في الحجم مع زيادة مرونة السطح. خارج هذه المنطقة، يتم إلغاء تدفقات مارانجوني بواسطة التدفقات المضادة الناتجة عن الشوائب، مما يعني أن المائع يصبح ثابتًا. ويمكن أن تختفي المنطقة إذا كانت مرونة السطح كبيرة للغاية، وفي هذه الحالة يصبح تركيز الشوائب على الواجهة ثابتًا. علاوةً على ذلك، تصبح حدود المنطقة غير واضحة في المياه الضحلة. اكتشف “بيكل” هذه الآليات من خلال الاشتقاقات الرياضية، بدءًا من الخصائص المعروفة لتدفقات مارانجوني. ثم قام بدمج متغيرات إضافية مثل عمق الماء وتركيز الشوائب، وحسب تأثيرها على النظام العام. أظهرت أبحاث بيكل أنه حتى في تجارب الفيزياء القديمة والمدروسة جيدًا، لا يزال التحليل الرياضي يكشف عن عمليات جديدة.
يتحرك نسيج الزمكان حول النجوم بشكل دوامي: أينشتاين كان محقا!
منذ أكثر من قرن، وضع أينشتاين النظرية العامة للنسبية والتي تضم مجموعة من النظريات حول الجاذبية ونسيج الزمكان. ومع ذلك، اعتقد أينشتاين نفسه وقتها أن العديد من تنبؤاته حول المكان والزمان لن تكون ملحوظة أبدًا.
لكن السنوات القليلة الماضية شهدت ثورة في عالم الفيزياء الفلكية، بما في ذلك اكتشاف موجات الجاذبية وأول صورة لظل الثقب الأسود بواسطة شبكة عالمية من التلسكوبات.
وواحدة من تنبؤات النظرية العامة للنسبية ومن توقعاتها الأقل شهرة هي أن الأجسام التي تدور حول محورها معها يتحرك نسيج الزمكان حول النجوم بشكل دوامي. وكلما دار الجسم بشكل أسرع وزاد حجمه، زادت قوة السحب، فيما يعرف بتباطؤ الاطار المرجعي “frame dragging” وهو ما لاحظه العلماء في نظام يبعد عدة مئات من الكوادريليون كيلو متر (الكوادريون هو مليون مليار).
لماذا لم تشاهد من قبل؟!
فيما قبل ومع كون الكون كبير للغاية من حولنا، فان هذة الظاهرة كانت غير قابلة للكشف وغير منطقية للمشاهدة، لأن تأثيرها ضئيل للغاية. فمثلا، يتطلب الكشف عن تباطؤ الاطار المرجعي الناجم عن دوران الأرض بالكامل حول محورها أقمارًا صناعية مثل المسبار Gravity Probe الذي تبلغ قيمته 750 مليون دولار أمريكي، كما يصعب اكتشاف التغييرات الزاوية في الجيروسكوبات – أداة لقياس اتجاه زوايا دوران النجوم – والتي تعادل درجة واحدة فقط كل 100،000 عام تقريبا.
الأقزام البيضاء
القزم الأبيض
يسمى واحد من الأجسام التي لها صلة بهذا الأمر بالقزم الأبيض “white dwarf”. الأقزام البيضاء هي بقايا النوى من النجوم الميتة التي كانت ذات مرة أكبر عدة مرات من كتلة شمسنا، لكنها استنفدت وقود الهيدروجين خاصتها، وما تبقى منها مشابه في حجمه للأرض ولكن مئات الآلاف من المرات أكثر كثافة.
يمكن للأقزام البيضاء أن تدور بسرعة كبيرة، وتدور كل دقيقة أو دقيقتين، بدلاً من كل 24 ساعة مثلما تفعل الأرض. وبالتالي وطبقا للقاعدة التي ذكرناها من قبل “كلما دار الجسم بشكل أسرع وزاد حجمه، زادت قوة السحب” فإن تباطؤ الاطار المرجعي الناتج عن هذا القزم الأبيض ستكون قوته 100 مليون مرة تقريبًا مثل قوة الأرض ويكون ملحوظا لكن كيف نصل اليه؟!
كيف نصل للقزم الأبيض للمشاهدة!
كل هذا عظيم جدا، لكن لا يمكننا الطيران إلى قزم أبيض وإطلاق أقمار صناعية من حوله لمشاهدة كيف يتحرك الزمكان من حوله. ولكن لحسن الحظ، فإن الطبيعة لطيفة مع علماء الفلك ولديها طريقتها الخاصة في السماح لنا بمراقبتها، عبر النجوم المدارية التي تدعى النجوم النابضة ” pulsars”.
نجم نيوتروني نابض
قبل عشرين عامًا، اكتشف تلسكوب “Parkes radio telescope” التابع لشركة “CSIRO” زوجًا فريدًا من النجوم يتكون من:
1- قزم أبيض (بحجم الأرض، ولكن حوالي 300000 مرة أثقل)
2- نجم نابض راديوي (بحجم مدينة، ولكن أثقل بمقدار 400000 مرة).
مقارنة بالأقزام البيضاء، فالنجوم النابضة من نوع أخر تمامًا، فهي ليست مصنوعة من ذرات تقليدية، ولكن من النيوترونات المرتبطة معا بإحكام، مما يجعلها كثيفة بشكل لا يصدق. والأكثر من ذلك، فإن النجوم النابضة في دراستنا تدور 150 مرة كل دقيقة وتصدر موجات رادوية في الفضاء والتي تصل الينا ونسجلها.
ومن خلال موجات الراديو المنبعثة من هذه النجم النابض، يمكننا استخدام هذا لتعيين مسار النجم النابض وهو يدور حول القزم الأبيض- والذي يدور مع انحناء نسيج الزمكان حوله – وعندما تصل موجاته إلى التلسكوب الخاص بنا وبمعرفة سرعة الضوء، كشفت هذه الطريقة أن النجمين يدوران حول بعضهما البعض في أقل من 5 ساعات.
كيف تشكل هذا النظام؟
زوج من النجوم، أحدهما قزم أبيض والآخر تنتقل مادته لتشكل قرص يدور حول رفيقه
عندما تولد أزواج من النجوم، يموت النجم الأكثر ضخامة أولاً، وغالبًا ما يخلق قزمًا أبيض، وقبل وفاة النجم الثاني، تنتقل مادته لتشكل قرص يدور حول رفيقه القزم الأبيض.
في حالات نادرة مثل هذه الحالة لدينا، يمكن للنجم الثاني أن ينفجر ويصل لما يعرف بمرحلة المستعر الأعظم “Super nova”، تاركًا وراءه نجمًا نابضًا. يقوم القزم الأبيض سريع الدوران بسحب المكان والزمان حوله، مما يحدث ميلا أثناء دورانه، وهذا الميل هو ما لاحظناه من خلال رسم خريطة للموجات الراديوية القادمة من مدار النجم النابض.
