كرة دايسون، مصدر طاقة لا تنتهي

يرتب «مقياس كارداشيف-Kardashev scale» الحضارات الفضائية الافتراضية إلى ثلاث أنواع رئيسية بناء على مقدار الطاقة التي يستخدمها كل منهم، على النحو التالي:
• النوع الأول، يستطيع هذا النوع السيطرة على كافة أشكال الطاقة المتاحة على كوكبه.


• النوع الثاني، يستطيع هذا النوع السيطرة على كل الطاقة القادمة من النجم الذي يدور حوله كوكبه.

• النوع الثالث، يستطيع هذا النوع السيطرة على كل الطاقة التي تحتويها مجرته.

ونحن كبشر لم نبلغ النوع الأول، ولكن كيف لنا أن نسيطر في يوم من الأيام على طاقة الشمس الكاملة؟
الحل في بناء كرة دايسون

ما هي كرة دايسون؟

كرة دايسون هي بناء تخيلي يُبنى في الفضاء، حيث يكون عبارة عن كرة تحيط بالنجم لاستخراج طاقة ذلك النجم الضوئية، تماما مثلما نفعل مع الخلايا الشمسية، ولكن بالطبع على مقياس أكبر.

تم تقديم نموذج كرة دايسون عام 1960 على يد الفيزيائي «فريمان دايسون-Freeman Dyson»، حيث افترض وجود حضارة فضائية تسعى لإيجاد طاقة تناسب معدلات استهلاكها المتزايدة، وكان الحل الذي اقترحه هو بناء كرة حول النجم الذي يدور حوله كوكبهم.

لماذا نحتاج إلى كرة دايسون؟

نحن في حاجة دائمة إلى الطاقة، فعدد البشر يتزايد بشكل مستمر، كما أن مخزون كوكبنا من الوقود الأحفوري على وشك الانتهاء، لذا فنحن نحتاج إلى مصدر طاقة نظيفة عظيمة.

ولك أن تفكر فيما يمكننا تحقيقه إذا وضعنا يدنا على هذه الكمية الكبيرة من الطاقة، فهذه الطاقة كافية لتنقلنا إلى حضارة من النوع الثاني، حيث سنمتلك وقتها الطاقة الكافية لتحويل المريخ، والسفر إلى النجوم الاخرى، وغيرها الكثير من الأمور التي نحلم بها.

كيف نقوم ببناء كرة دايسون؟

علينا أولًا أن نرى مدى صلاحية نموذجنا عنها، فهناك العديد من المشاكل في نموذج الكرة، حيث أنه سيكون مغلقًا ومتماسكًا، وهو ما يصعب بناءه ليحيط بنجم، بالإضافة إلى إمكانية تأثير جاذبية النجم عليه مما قد يؤدي إلى انهياره باتجاه النجم وهو ما سيسبب كافة أنواع المشاكل غير المرغوبة، بالإضافة إلى كمية الكويكبات الكبيرة التي تدور حول الشمس، حيث سيكون اصطدام كويكب بالكرة كافيًا لتفكيكها وانهيارها.

النموذج الغير مناسب


نحتاج إلى شيء أخف، ربما ليس كرة، ولكن سرب، نحتاج إلى سرب دايسون، وهو عبارة عن سرب كبير من الخلايا الشمسية التي تدور حول الشمس لاستخراج طاقتها الكبيرة، وتوجيه هذه الطاقة نحو نقطة مركزية لإعادة توجيهها نحو الأرض لاستخدامها في كافة أنواع الاستخدامات المختلفة.

النموذج المناسب


لنقوم بعملية البناء نحتاج إلى كميات كبيرة من الموارد والطاقة، وهو ما لا نجده على كوكبنا، لذا فالحل سيكون في اختيار أحد كواكب المجموعة الشمسية لتفكيكه واستخدام موارده لبناء كرة دايسون، ويبدو عطارد كاختيار مثالي، حيث أنه يحتوي على الكثير من المعادن، بالإضافة إلى قربه من الشمس وامتلاكه لجاذبية ضعيفة مقارنة بالأرض، مما سيتيح إطلاق الخلايا الشمسية إلى مدار الشمس بسهولة.

ولكننا نحتاج طاقة كبيرة كذلك لتفكيك كوكب عطارد، وهو ما سيجعل من بنائها مهمة صعبة، حيث أنها قد تتطلب عقودًا لإتمام عملية البناء التي ستتم على النحو التالي:

نقوم بوضع خلايا شمسية على سطح كوكب عطارد، وهو ما سيوفر الطاقة للبدء في عملية التعدين وإعادة تشكيل المعادن لصناعة الخلايا الشمسية الخاصة بكرة دايسون، ثم نقوم بإطلاق عدد صغير من الخلايا الشمسية التي صنعناها نحو مدار الشمس، ونستخدم الطاقة التي ستحصل عليها هذه الخلايا لصنع المزيد من الخلايا، حيث ستوفر خلية شمسية تدور حول الشمس الطاقة اللازمة لبناء واحدة مثلها، وستوفر اثنتان ما يكفي لبناء اثنتين مثلهم، وستوفر أربعة الطاقة اللازمة لصنع أربعة مثلهم، وهو ما يعرف ب«النمو الأسي-Exponential growth»، وعلى هذا النحو قد ننتهي من بناء كرة دايسون بعد 10 أعوام من البدء.

قد يبدو حلم كرة دايسون بعيد المنال في الوقت الحالي، لكنه لن يكون بذلك البعد على أحفادنا، فأجدادنا لم يكونوا قادرين على الحصول على المعلومات التي نستطيع الحصول عليها الآن بنقرة زر، وهي فكرة تدعو للتأمل.

المصادر

space
earthsky
nerdist

خلايا شمسية تحصد الطاقة من الطيف الضوئي الغير مرئي

هذه المقالة هي الجزء 7 من 22 في سلسلة موضوعات تأسيسية في الطاقة المتجددة

مقدمة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي الشمسي

يتكون الإشعاع الشمسي من فوتونات تتصرف كالموجات الكهرومغناطيسية أي أنه يمكن وصف كل موجة من الإشعاع الشمسي بخصائص محددة لها تردد وطول موجي وطاقة معينة.  يغطي الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس مجموعة كبيرة جدًا من الأطوال الموجية، بدءً بالموجات الراديوية ومرورًا بالأشعة تحت الحمراء والطيف المرئي للضوء والأشعة فوق البنفسجية ووصولًا إلى الأشعة السينية وأشعة غاما. يعرف الطول الموجي للموجة بأنه المسافة الفاصلة بين قمتين متتاليتين للموجة ويتناسب عكسيًا مع تردد الموجة فالموجات التي لديها طول موجي أكبر يكون ترددها أصغر والعكس صحيح. ومن ناحية أخرى تتناسب طاقة الموجة طرديًا مع ترددها، فكلما انخفض تردد الموجة كلما كانت طاقتها منخفضة أيضًا. على سبيل المثال، يتراوح الطول الموجي للموجات الراديوية من 1 سنتيمتر إلى 1 كيلومتر وتقاس طاقتها بالنانو إلكترون فولت (1نانوإلكترون فولت = 0.000000001 إلكترون فولت) في حين أن «الأشعة فوق البنفسجية-Ultraviolet Radiation» لديها طول موجي صغير جدًا يتراوح بين 10 نانومتر و 100 نانومتر بينما تصل طاقتها إلى حوالي 100 إلكترون فولت. أما«الطيف المرئي-Visible Spectrum» من الإشعاع الشمسي فيقع في طول موجي يتراوح بين 400 نانومتر و 700 نانومتر.

خصائص التردد والطول الموجي والطاقة لكل مكون من مكونات الطيف الكهرومغناطيسي الشمسي

قدرة الخلايا الشمسية على امتصاص الإشعاع الشمسي

تبعث الشمس العديد من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي بكميات طاقة مختلفة. نلاحظ من خلال الصورة أدناه أن حوالي 43% من إجمالي الطاقة المشعة المنبعثة من الشمس موجودة في الأجزاء المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي. بينما 49% من الطاقة المنبعثة من الشمس تقع في نطاق الأشعة تحت الحمراء الجزء المتبقي في الأشعة تحت الحمراء و 7% في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. تصنع الخلايا الشمسية من مادة السيليكون البلوري ويمكن لهذه الخلايا الشمسية تحويل جزء صغير فقط من الطيف الشمسي إلى كهرباء بكفاءة. لا يتم امتصاص جزيئات الضوء منخفضة الطاقة، لأنها لا تملك ما يكفي من الطاقة لسد فجوة النطاق للمادة التي تصنع منها الخلايا الشمسية. على النقيض من ذلك، يمكن امتصاص الفوتونات عالية الطاقة، ولكن في عدد قليل من بيكو ثانية (10-12 ثانية) يتم تحويل الكثير من طاقتها إلى حرارة. وهذا يحد من الكفاءة القصوى إلى 30 بالمائة فقط. الجدير بالذكر أن حوالي 85% من الخلايا الشمسية المتوفرة تجاريًا تُصنع من مادة السيليكون البلوري ولكنها تمتص أشعة الشمس بشكل فعال فقط في المنطقة المرئية من الطيف الشمسي. تغطي مواد أخرى شبه موصلة مناطق مختلفة قليلاً من الطيف الشمسي، ولكن من الواضح أن أكثر الخلايا الشمسية كفاءة هي تلك التي تشمل كل منطقة من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء.

تتركز معظم الطاقة في مدى الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية

تطوير خلايا شمسية تحصد الطاقة من الطيف الضوئي الغير مرئي

اكتشف فريق من الباحثين في جامعتي «RMIT»و«UNSW» في استراليا وجامعة «Kentucky» في الولايات المتحدة الأمريكية تقنية لاستخدام الأكسجين لنقل ضوء منخفض الطاقة إلى جزيئات يمكن تحويلها إلى كهرباء. تتضمن التقنية استخدام أشباه الموصلات الدقيقة المعروفة بالنقاط الكمومية لامتصاص ضوء الطاقة المنخفض ومن ثم تحويله إلى ضوء مرئي حتى تستطيع الخلايا الشمسية حصد الطاقة منه. تمكن الباحثون من تحقيق بنيىة تحويل تصاعدية باستخدام أشباه موصلات بلورية مصنوعة من مركب السولفايد المزود بالاكسجين.  تستطيع هذه التقنية امتصاص الفوتونات الواقعة في مدى الاشعة تحت الحمراء القريبة أو التي توجد تحت فجوة الطاقة لمادة السيليكون. يُعرف«upconversion-التحويل المتصاعد»بأنه العملية التي يتم من خلالها الجمع بين فوتونين في وسط غير خطي لإنتاج فوتون عالي الطاقة مع تردد يمثل مجموع تلك الفوتونات.

طيف الامتصاص والانبعاث للمواد المستخدمة في التجربة على أطوال موجية تصل حتى 1200 نانومتر

تطبيقات أخرى

لا تنحصر تطبيقات هذه التقنية في تطوير خلايا شمسية تحصد الطاقة من الطيف الضوئي الغير مرئي فحسب، بل من الممكن استخدام الجسيمات النانوية ذات البنية الالكترونية المناسبة لكشف وتصوير «الأوكسجين الإفرادي-singlet oxygen»، والذي اكتشف دوره مؤخرا في تنظيم المقوية الوعائية وضغط الدم في العملية الالتهابية.

المصادر

Nature Photonics

independent

NASA

immunolight

phy.org

Exit mobile version