ألواح شمسية معكوسة تحول حرارة الأرض الليلية إلى كهرباء
الطاقة الشمسية الليلية لتشغيل الأقمار الصناعية.. تحويل الأشعة تحت الحمراء إلى كهرباء
تتألق أشعة الشمس على المياه، وتغمر الجلد والرمال، لتصبح جزءًا من هوية أستراليا، وفي سيدني، يبحث العلماء عن طرق للاستفادة من طاقة الشمس بطريقة غير متوقعة حتى بعد غروبها.
يقول جيمي هاريسون، طالب دراسات عليا في جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) “نطور أجهزة تولد الكهرباء من خلال إصدار الضوء بدلًا من امتصاصه، إنه أشبه باللوح الشمسي المعكوس.”
هاريسون جزء من فريق البحث في مدرسة الطاقة الضوئية والطاقة المتجددة في UNSW، الذي يسعى لإيجاد طرق مبتكرة لتوليد الطاقة الشمسية، بما في ذلك خلال الليل.
“ديودات حرارية إشعاعية”
الطاقة التي تمتصها الأرض من الشمس خلال النهار تُطلق في الليل على شكل إشعاع تحت أحمر، نوع من الضوء غير المرئي للعين البشرية لكنه محسوس كحرارة، يعمل الفريق على تجربة أشباه موصلات تُسمى “ديودات حرارية إشعاعية”، لتحويل هذا الإشعاع إلى كهرباء.
يوضح البروفيسور نيد إكينز-دوكس، قائد الفريق: “إذا نظرت إلى الأرض ليلاً عبر كاميرا تحت حمراء، سترى أنها تتوهج، الأرض تشع الحرارة إلى الفضاء البارد.”
بينما لم تُخترع الديودات الحرارية الإشعاعية حديثًا، إلا أن فريق UNSW بنى على أعمال جامعات هارفارد وستانفورد ليُظهر مباشرة القدرة على توليد الكهرباء من هذه الأجهزة في 2022.
حتى الآن، تنتج هذه الأجهزة كمية صغيرة جدًا من الكهرباء، أقل بحوالي 100 ألف مرة من الألواح الشمسية التقليدية، يقول إكينز-دوكس: “يكفي لتشغيل ساعة كاسيو رقمية من حرارة الجسم” وتعتمد كمية الكهرباء على فرق درجة الحرارة بين مصدر الحرارة والبيئة المحيطة.
حتى بكفاءة مثالية، يمكن للديود على الأرض توليد واط واحد فقط لكل متر مربع، بسبب امتصاص الغلاف الجوي للحرارة بواسطة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون.
لكن الإمكانات الحقيقية تكمن في الفضاء، حيث البيئة المحيطة أكثر برودة. يتصور العلماء استخدام هذه الديودات لتوفير طاقة إضافية للأقمار الصناعية، حيث يمكنها استخدام الحرارة المشعة من الأقمار خلال فترات الظلام، على عكس الألواح الشمسية التي تعمل فقط تحت أشعة الشمس.
تتعرض الأقمار الصناعية في مدار منخفض حوالي 45 دقيقة ضوء شمس تليها 45 دقيقة ظلام، بينما توفر البطاريات الطاقة خلال الظلام، يمكن للديودات “استخراج طاقة إضافية من الأسطح غير المستغلة”، بحسب إكينز-دوكس.
ويضيف: “مع التوجه نحو أقمار صناعية أصغر في مدارات منخفضة، والحفاظ على وظائفها مع تقليل الوزن أمر أساسي، الديودات الحرارية الإشعاعية خفيفة الوزن ويمكنها استخدام أسطح لم تكن مستغلة.”
تجربة على منطاد هذا العام
يخطط الفريق لإجراء تجربة على منطاد هذا العام لاختبار التقنية في الفضاء لأول مرة، يقول الدكتور جيفري لانديس من ناسا:
“التقنية قد تناسب الأقمار الصناعية في المدار المنخفض، لكن يجب أن تكون منخفضة التكلفة جدًا لتنافس البطاريات” ويركز على تطبيقات الفضاء العميق، حيث يمكن للديودات أن تكون بديلًا فعالًا للمولدات الحرارية الكهربائية التقليدية الثقيلة والمكلفة التي تعمل بالبلوتونيوم.
تشكيل لوحات شبيهة بالألواح الشمسية
ويضيف الدكتور ستيفن بولي من ناسا: “يمكن ربط العديد من الديودات الصغيرة لتشكيل لوحات شبيهة بالألواح الشمسية، مما يوفر بساطة وأقل أجزاء متحركة واستفادة أفضل من البلوتونيوم للمهمات الفضائية الطويلة.”
تصنع الديودات الحرارية الإشعاعية حاليًا من أشباه موصلات تشبه تلك المستخدمة في نظارات الرؤية الليلية.
ويختبر الباحثون في ناسا مواد يمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 375° مئوية (707° فهرنهايت) لضمان استمرار عملها في الفضاء لفترات طويلة.
في UNSW، حصل فريق إكينز-دوكس على تمويل من سلاح الجو الأمريكي لتحسين كفاءة الديود وزيادة إنتاجه للأقمار الصناعية منخفضة المدار باستخدام حرارة الشمس كمصدر وحيد للطاقة.
ومن خلال استخدام مواد مشابهة للألواح الشمسية التقليدية، يخطط الفريق لتوسيع الإنتاج، مع إمكانية توفر التقنية تجاريًا خلال خمس سنوات.
