في إنجاز يمكن أن يحدث ثورة في الطريقة التي نستخدم بها الطاقة الشمسية، قام الباحثون في جامعة يوليوس ماكسيميليانز فورتسبورغ في ألمانيا بتطوير نظام مبتكر لحصاد الضوء يحاكي كفاءة النباتات والبكتيريا. تتمتع هذه التكنولوجيا الرائدة بالقدرة على التغلب على القيود المفروضة على الخلايا الشمسية الحالية، مما يجعلها أكثر كفاءة وصغيرة الحجم. بقيادة أستاذ الكيمياء فرانك وورثنر، تعاون فريق من العلماء من معهد الكيمياء العضوية ومعهد الكيمياء الفيزيائية والنظرية في (JMU) لتصميم هذا النظام الجديد.
علم التمثيل الضوئي
إن عملية التمثيل الضوئي، التي تقوم النباتات وبعض أنواع البكتيريا من خلالها بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية، هي إحدى عجائب هندسة الطبيعة. إنها علاقة معقدة بين الضوء والماء وثاني أكسيد الكربون والكلوروفيل، حيث يتم ضبط كل خطوة بدقة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة. وفي قلب هذه العملية يكمن نظام حصاد الضوء، وهو عبارة عن شبكة معقدة من الأصباغ والبروتينات التي تلتقط الطاقة الضوئية وتوجهها نحو مراكز التفاعل.
في النباتات، يتكون هذا النظام من نوعين من الكلوروفيل، كل منهما حساس لأطوال موجية مختلفة من الضوء. وتم بناء مجمع حصاد الضوء، الذي يتكون من مئات الأصباغ، على شكل هوائي نانوي، مع ترتيب الأصباغ في نمط محدد لتحقيق أقصى قدر من امتصاص الضوء. ويتيح هذا الترتيب للنباتات التقاط طيف واسع من الضوء، من الأزرق إلى الأحمر، ونقل الطاقة إلى مراكز التفاعل بكفاءة ملحوظة.
تاريخ البحث عن خلايا شمسية فعالة
لقد كان السعي إلى تسخير ضوء الشمس بكفاءة بمثابة مسعى طويل الأمد للعلماء. إن حلم إنشاء خلايا شمسية يمكنها منافسة كفاءة عملية التمثيل الضوئي الطبيعي دفع الباحثين إلى استكشاف طرق مختلفة. وفي أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، تم تطوير الخلايا الشمسية الأولى باستخدام أشباه الموصلات غير العضوية مثل السيليكون. وعلى الرغم من قدرة هذه الخلايا على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، إلا أنها كانت محدودة. وكانت هناك حاجة إلى طبقات سميكة من السيليكون لامتصاص ما يكفي من الطاقة الضوئية، مما يجعل الخلايا ضخمة وثقيلة.
وفي الثمانينات، ظهرت الأصباغ العضوية كبديل. وعدت هذه الطبقات الرقيقة، التي يبلغ سمكها نانومترات فقط، بإحداث ثورة في الخلايا الشمسية. ومع ذلك، فقد كافحوا لاستيعاب نطاق طيفي واسع، مما أدى إلى كفاءة محدودة. واستمر المسعى، حيث سعى العلماء للحصول على الإلهام من أنظمة حصاد الضوء الموجودة في الطبيعة.
بدت الهياكل المعقدة للنباتات والبكتيريا، القادرة على التقاط نطاق واسع من الضوء، وكأنها مخطط مثالي. وسعى الباحثون إلى محاكاة هذه الأنظمة الطبيعية، من خلال الجمع بين نقاط قوة أشباه الموصلات غير العضوية والأصباغ العضوية.
التصميم الفريد لنموذج (URPB)
ويعود الفضل في كفاءة نظام حصاد الضوء المبتكر، الذي يطلق عليه اسم (URPB)، إلى تصميمه المبتكر. يوجد في قلب هذا النظام أربع أصباغ مختلفة من الميروسيانين (merocyanine)، تم ترتيبها بعناية في تكوين مكدس. يتيح هذا الترتيب المتقن نقل الطاقة بسرعة فائقة وكفاءة داخل الهوائي، ومحاكاة أنظمة حصاد الضوء الموجودة في الطبيعة.
يتم طي الأصباغ الأربعة، كل منها حساسة لمجموعة معينة من الأطوال الموجية (الأشعة فوق البنفسجية والأحمر والأرجواني والأزرق)، وتكديسها معًا لإنشاء طريق سريع للطاقة عالي الكفاءة. وهذا يسمح للنظام بامتصاص طيف واسع من الطاقة الضوئية، على غرار أنظمة حصاد الضوء الطبيعي، ولكن مع ميزة كبيرة: طبقته الرقيقة تتطلب الحد الأدنى من المواد، مما يجعله مثاليًا لتطبيقات الخلايا الشمسية.
التصميم الفريد للنموذج الأولي (URPB) هو نتيجة للتحكم الدقيق في البنية الجزيئية، مما يسمح للباحثين بضبط مسارات نقل الطاقة. ومن خلال ترتيب الأصباغ بذكاء، حقق الفريق مستوى غير مسبوق من كفاءة نقل الطاقة، مما مهد الطريق لتطوير خلايا شمسية أكثر كفاءة.
مستقبل الطاقة الشمسية
في المستقبل القريب، يمكننا أن نتوقع رؤية ألواح شمسية أكثر كفاءة واستدامة يمكنها استخدام نظام حصاد الضوء الذي يحاكي النباتات والبكتيريا وتسخير قوة ضوء الشمس بشكل أكثر فعالية. وهذا يمكن أن يؤدي إلى انخفاض كبير في اعتمادنا على الوقود الأحفوري، والحد من انبعاثات الغازات الدفيئة وتخفيف تأثير تغير المناخ. علاوة على ذلك، فإن زيادة كفاءة الطاقة الشمسية يمكن أن تجعلها خيارًا أكثر قابلية للتطبيق لتزويد المجتمعات النامية بالطاقة، مما يوفر الوصول إلى الطاقة النظيفة لملايين الأشخاص حول العالم.
إن الآثار المترتبة على هذا الاكتشاف تتجاوز مجرد توليد الطاقة. فهو لديه القدرة على تغيير الطريقة التي نعيش بها حياتنا اليومية، من تشغيل أجهزتنا ووسائل النقل إلى توفير المياه النظيفة والصرف الصحي. ومع استمرارنا في تطوير هذه التكنولوجيا وتحسينها، قد نرى مستقبلًا تكون فيه الطاقة المستدامة هي القاعدة، وتكون البشرية قادرة على الازدهار في انسجام مع البيئة.
Solar technology: Innovative light-harvesting system works very efficiently / science daily