ألواح شمسية وردية تتيح زراعة البروكلي وإنتاج الكهرباء من الأرض نفسها
تقنية زراعية تجمع بين إنتاج الغذاء والكهرباء.. ألواح شمسية تسمح بنمو البروكلي
كشفت دراسة علمية جديدة عن إمكانية زراعة البروكلي أسفل ألواح شمسية شبه شفافة ذات لون وردي، مع إنتاج الكهرباء في الوقت نفسه، إذ تمكنت النباتات من الوصول إلى الحجم الكامل للرؤوس رغم تأخر نضجها 25 يومًا مقارنة بالمحصول المزروع في الحقول المفتوحة.
وأظهرت الدراسة أن الألواح الشمسية المصممة لتمرير أجزاء محددة من ضوء الشمس، خصوصًا الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء التي تستخدمها النباتات في النمو، يمكن أن تساعد البروكلي على الاستفادة بكفاءة أكبر من الضوء المتاح، بما يفتح المجال أمام الجمع بين إنتاج المحاصيل الزراعية والطاقة المتجددة في المساحة نفسها.
وقادت البحث سيلفيا ما لو (Silvia Ma Lu) من جامعة مالاردالن (Mälardalen University) في مدينة فيستيروس بالسويد، بمشاركة باحثين من الجامعة نفسها، إلى جانب باحثين من معهد حماية النباتات المستدامة في فلورنسا وجامعة القلب المقدس الكاثوليكية في مدينة بياتشنزا الإيطاليتين.
ونُشرت الدراسة كاملة في مجلة Cell Reports Physical Science العلمية.
وقالت ما لو إن الفكرة الأساسية بسيطة، إذ تستخدم الألواح الشمسية جزءًا من ضوء الشمس الوارد لتوليد الكهرباء المتجددة، بينما تسمح بمرور جزء آخر إلى المحاصيل المزروعة أسفلها.
لماذا اختير اللون الوردي للألواح الشمسية؟
تمتص أوراق النباتات الضوء الأزرق والأحمر، بينما تعكس قدرًا أكبر من الضوء الأخضر، وهو ما يفسر ظهور النباتات باللون الأخضر.
أما المرشح الوردي المائل إلى الأرجواني (Magenta)، فيعمل بطريقة مختلفة؛ إذ يسمح بمرور الضوء الأحمر والأزرق، ويحجب الضوء الأخضر.
وبذلك تمرر الألواح الشمسية الوردية الأطوال الموجية التي تستخدمها محاصيل مثل البروكلي في عمليات النمو، بينما تمتص المواد الموجودة داخل الألواح أجزاء أخرى من الضوء لاستخدامها في توليد الكهرباء.
ويتكون كل لوح من لوح زجاجي تتوزع داخله شرائح رفيعة من مادة تيلوريد الكادميوم (Cadmium Telluride) الممتصة للضوء، مع وجود طبقة بلاستيكية وردية داخل الزجاج تضفي اللون على الضوء المار بين تلك الشرائح.
وتُعرف زراعة المحاصيل أسفل الألواح الشمسية باسم الزراعة الكهروضوئية (Agrivoltaics)، وتعتمد معظم المشروعات الحالية في هذا المجال على ألواح شمسية داكنة تحجب قدرًا كبيرًا من ضوء الشمس، ما قد يؤثر في نمو النباتات.
لكن فريق ما لو صمم نظامين مختلفين من المظلات الشمسية، يبلغ طول كل منهما نحو 13 قدمًا وعرضه 16 قدمًا، أي ما يعادل 4 أمتار في 5 أمتار، ويصل ارتفاعهما عند الحافة المنخفضة إلى نحو 5 أقدام، أو 1.5 متر.
واستخدم النظام الأول ألواحًا تبلغ نسبة شفافيتها 50% وفقًا لتصنيف الشركة المصنعة، بينما اعتمد النظام الثاني على ألواح بنسبة شفافية 70%.
وحصلت نباتات البروكلي أسفل النظامين على نحو 13% و19% على التوالي من كمية الضوء اللازمة للنمو التي وصلت إلى قطعة أرض ثالثة مكشوفة للشمس.
تأخر الحصاد 25 يومًا مع وصول الرؤوس إلى الوزن الكامل
زرع الباحثون شتلات البروكلي في القطع التجريبية الثلاث بمزرعة كاربرو بريستجرد (Kärrbo Prästgård) في وسط السويد، يوم 2 يوليو 2024، بواقع 44 نباتًا في كل قطعة، مع تغطية النباتات بشبكات بيضاء للحماية من الحشرات.
وأصبحت نباتات البروكلي المزروعة في الحقل المفتوح جاهزة للحصاد بعد 79 يومًا من الزراعة.
لكن في ذلك الوقت، كانت النباتات الموجودة أسفل الألواح الشمسية أقصر حجمًا، ورؤوسها أصغر، وسيقانها أقل سمكًا، لذلك قرر الباحثون تركها لمواصلة النمو.
وبحلول اليوم الـ104، وصلت أوزان رؤوس البروكلي المزروعة أسفل كلا النظامين الشمسيين إلى مستويات مماثلة لأوزان الرؤوس التي حُصدت من الحقل المفتوح في اليوم الـ79، ومع ذلك، ظل الوزن الإجمالي للنباتات المزروعة في الحقل المفتوح أكبر.
وأظهرت النتائج، أن النباتات التي نمت في الظل أنتجت أوراقًا أكثر بنسبة تراوحت بين 25% و41% مقارنة بالنباتات المجاورة التي تعرضت لأشعة الشمس المباشرة.
ولم يُسجل الباحثون ظهور السيقان المجوفة في أي من النباتات الموجودة في القطع التجريبية الثلاث، وهي إحدى العيوب التي راقبها الفريق خلال الدراسة.
وأشار الباحثون إلى أن تأخر الحصاد قد يكون له جانب اقتصادي إيجابي أيضًا، إذ يمكن أن يصل المحصول إلى الأسواق خلال أسابيع ترتفع فيها أسعار البروكلي الطازج.
أوراق البروكلي في الظل استخدمت الضوء بكفاءة أكبر
بلغت شدة الضوء المتاح للنمو في الحقل المفتوح وقت الظهيرة نحو 925 وحدة، محسوبة على أساس عدد الفوتونات لكل متر مربع في الثانية.
في المقابل، سمحت المظلتان الشمسيتان بمرور 143 و207 وحدات من هذا الضوء، ومع ذلك أنتجت نباتات البروكلي المزروعة أسفلهما كمية من المادة النباتية قاربت ما أنتجته النباتات في الحقل المفتوح.
ووفقًا للباحثين، أنتجت كل وحدة من الضوء وزنًا جافًا من النبات يصل إلى 4.5 أضعاف ما أنتجته الوحدة نفسها في الحقل المفتوح.
وأظهرت اختبارات الأوراق المنفردة تحت المصابيح النمط نفسه، إذ سجلت أوراق النباتات التي نمت أسفل الألواح معدلات أعلى من التمثيل الضوئي عند جميع مستويات الإضاءة، مقارنة بأوراق النباتات المزروعة في الحقل المفتوح.
وكتب فريق ما لو أن النباتات الموجودة في الحقول المفتوحة خلال الأيام المشمسة ربما كانت تتلقى ضوءًا أكثر مما تستطيع استخدامه بكفاءة، بينما تكيفت النباتات الموجودة أسفل الألواح مع ظروف الإضاءة الأقل، وأصبحت أكثر قدرة على التقاط الضوء المتاح والاستفادة منه.
كما أظهرت القياسات اختلافات في الظروف المناخية أسفل المظلات الشمسية؛ إذ كانت درجات الحرارة بعد الظهر أعلى بنحو 1.8 درجة فهرنهايت، أي درجة مئوية واحدة، مقارنة بالحقل المفتوح، بينما كانت درجات الحرارة ليلًا أقل بنحو درجتين فهرنهايت، أو 1.1 درجة مئوية.
وكانت رطوبة الهواء أسفل الألواح أعلى بنحو 6%، وهو ما ساعد النباتات على فقدان كمية أقل من المياه.
وأشار الباحثون إلى أن الأمطار كانت وفيرة بدءًا من سبتمبر، كما استخدموا الري بالتنقيط قبل ذلك، لذلك لم تكن رطوبة التربة العامل المحدد لنمو النباتات في أي من القطع التجريبية.
اختلاف مستويات المعادن في رؤوس البروكلي
لم تقتصر الاختلافات بين المحاصيل على سرعة النمو وكفاءة استخدام الضوء، بل امتدت أيضًا إلى التركيب المعدني لرؤوس البروكلي.
ففي العينة الأولى، كانت مستويات الحديد في الرؤوس المزروعة أسفل الألواح الشمسية أقل بنسبة تراوحت بين 37% و41% مقارنة بالرؤوس المزروعة في الحقل المفتوح، كما انخفضت مستويات المنجنيز بنسبة تراوحت بين 38% و42%.
وتراجعت مستويات الزنك بنسبة تراوحت بين 18% و20%، والنحاس بنحو 12%، بينما انخفضت السكريات الذائبة بنسبة تراوحت بين الثلث والنصف.
في المقابل، ارتفعت مستويات الكالسيوم والمغنيسيوم والبوتاسيوم في سبتمبر، لتكون أعلى بنسبة تراوحت بين 25% و54% أسفل الألواح الشمسية.
لكن بحلول موعد الحصاد الثاني، تراجعت مستويات هذه المعادن الثلاثة لتصبح مماثلة للمستويات المسجلة في رؤوس البروكلي المزروعة في الحقل المفتوح، بينما ظلت مستويات المعادن الأربعة الأخرى، وهي الحديد والمنجنيز والزنك والنحاس، منخفضة.
وقالت ما لو، إن أحد أكثر النتائج إثارة للاهتمام تمثل في التشابه الكبير في أداء البروكلي تحت نظامي الألواح الشمسية، رغم اختلاف مستويات الشفافية بينهما.
وأضافت، أن النتائج ترتبط بظروف التجربة المحددة، وأنه ينبغي التحقق منها خلال مواسم زراعية إضافية، ومع استخدام تصميمات مختلفة للأنظمة الشمسية.
إنتاج الكهرباء إلى جانب المحاصيل الغذائية
لم يقتصر الاختبار على متابعة نمو البروكلي، بل شمل أيضًا قياس قدرة الألواح الشمسية على توليد الكهرباء خلال موسم الزراعة.
ووفقًا لتقديرات الباحثين، أنتج النظام الأكثر كثافة من الألواح نحو 447.6 كيلوواط/ساعة من الكهرباء خلال الموسم، باستخدام ألواح تبلغ قدرتها الاسمية 1.1 كيلوواط.
وبلغت كفاءة تحويل ضوء الشمس الساقط على الألواح إلى كهرباء نحو 7.2%، وهي نسبة أقل من كفاءة الألواح التقليدية المصنوعة من السيليكون، التي تصل إلى 20% أو أكثر.
وأجرى الفريق حسابات نظرية لتقدير إمكانات توسيع النظام، وخلص إلى أن زراعة البروكلي على مساحة تبلغ 2.5 فدان، أي هكتار واحد، أسفل هذه الألواح يمكن أن توفر كمية من الغذاء والكهرباء تعادل ما يمكن إنتاجه على مساحة 2.9 فدان، أو 1.18 هكتار، موزعة بين حقل زراعي ومزرعة للطاقة الشمسية.
وقالت ما لو، إن التصميمات المشابهة للنموذج التجريبي قد تكون مناسبة حاليًا للتطبيقات صغيرة النطاق، مثل حدائق المجتمعات المحلية، أو دمجها في أسطح الصوب الزراعية، بدلًا من التوسع الفوري في استخدامها على مساحات زراعية كبيرة.
تجربة محدودة تحتاج إلى مزيد من الاختبارات
رغم النتائج التي توصلت إليها الدراسة، أشار الباحثون إلى عدد من القيود التي ينبغي أخذها في الاعتبار عند تقييم إمكانية تطبيق النظام على نطاق واسع.
فقد اعتمدت كل معاملة تجريبية على قطعة أرض واحدة، وستة نباتات جرى أخذ عينات منها، وموسم زراعي واحد فقط في وسط السويد.
كما أن النباتات الموجودة عند حواف المظلات ربما حصلت على كميات إضافية من ضوء الشمس، وربما وفرت ظلالًا أو حماية للنباتات التي جرى قياسها في منتصف القطع التجريبية.
وأشار الباحثون أيضًا إلى أن النباتات المزروعة في الحقل المفتوح كان من الممكن أن تنتج براعم جانبية خلال الأيام الـ25 التالية للحصاد الأول، بما يسمح بإجراء حصاد ثانٍ، إلا أن الدراسة لم تقم بقياس هذا الإنتاج المحتمل.
ومن القيود الأخرى أن التجربة لم تتمكن من الفصل بين تأثير اللون الوردي للألواح، وتأثير الظل الناتج عن وجودها، أو تأثير الضوء المنتشر والناعم الذي يمر عبر الزجاج.
وبدأ فريق ما لو بالفعل اختبارات جديدة للألواح الوردية، إلى جانب ألواح حمراء وزرقاء، تحت إضاءة معملية لا يتسرب إليها أي ضوء خارجي، بهدف تحديد تأثير الألوان المختلفة بصورة أكثر دقة.
