الشمس والفضاء.. تسخير الكون البارد والطاقة الشمسية للطاقة المتجددة

مع زيادة تكلفة طرق الطاقة التقليدية وأثرها على البيئة، يتجه الباحثون في ولاية بنسلفانيا إلى اثنين من الموارد المتجددة غير المستغلة، الشمس والفضاء الخارجي، لإيجاد حلول لتوليد الكهرباء وتبريد الهياكل بشكل سلبي.

قام الفريق بقيادة لينشياو تشو، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية، بتطوير واختبار استراتيجية التبريد والطاقة المزدوجة التي تحصد الطاقة الشمسية في خلية شمسية في نفس الوقت وتوجه الحرارة بعيدًا عن الأرض من خلال التبريد الإشعاعي.

لقد نشروا حل الطاقة الخاص بهم، وهو أكثر كفاءة من أي مكون بمفرده، في مجلة Cell Reports Physical Science .

يعمل التبريد الإشعاعي عن طريق إرسال ضوء الأشعة تحت الحمراء مباشرة إلى الفضاء الخارجي بشكل فوري دون تسخين الهواء المحيط، استخدم تشو كاميرا حرارية للمساعدة في شرح هذا المفهوم.

لا يمكن رؤية ضوء الأشعة تحت الحمراء غير المرئي الحامل للحرارة إلا من خلال كاميرا حرارية، والتي تستخدم اللون لعرض درجة الحرارة التي ينبعث منها الجسم. يتوهج جسم الإنسان باللون البرتقالي أو الأحمر مما يدل على ارتفاع درجة الحرارة،

على سبيل المثال، بينما النافذة في يوم بارد باللون الأزرق، مما يشير إلى انخفاض درجة الحرارة.

الأشعة تحت الحمراء الحرارية، والمعروفة أيضًا باسم إشعاع الجسم الأسود، هي الطاقة التي يتخلص منها الأشخاص والأشياء أثناء تبريدها.

توجيه قدرة التبريد إلى مبنى أو ثلاجة

وقال تشو: “في التبريد الإشعاعي، يشع ضوء الأشعة تحت الحمراء من قطعة من الزجاج الشفاف منخفض الحديد”، “يرتد الضوء من الزجاج، ويمر عبر الغلاف الجوي دون أن يسخن الهواء المحيط، ويهبط في الفضاء الخارجي، وهو ما نسميه الكون البارد”.

وتقوم هذه العملية بدورها بتبريد سطح المبرد الإشعاعي، ويمكن بعد ذلك توجيه قدرة التبريد هذه نحو جسم ما، مثل داخل مبنى أو ثلاجة.

تم اختراع التبريد الإشعاعي أثناء النهار قبل عقد من الزمن، ويجري تطويره كطريقة تبريد ناشئة خالية من الكربون، بصفته طالب دكتوراه في جامعة ستانفورد في عام 2014، عمل تشو ضمن فريق البحث الذي قام لأول مرة بتطوير التبريد الإشعاعي أثناء النهار .

وقال المؤلف الأول براميت جوش، وهو طالب دكتوراه في الهندسة الميكانيكية في ولاية بنسلفانيا: “في الليل وأثناء النهار، يعمل المبرد الإشعاعي كمكيف هواء طبيعي على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع”، “حتى في يوم حار، يكون المبرد الإشعاعي باردًا عند اللمس.”

تحت المبرد الإشعاعي، وضع الباحثون لوحة شمسية، بحيث يمر ضوء الشمس خلال ساعات النهار عبر المبرد الإشعاعي الشفاف، ويتم امتصاصه في الخلية الشمسية لتوليد الكهرباء.

اختبر الباحثون نظامهم في الصيف الماضي في مركز تجربة الاستدامة التابع لمعهد ولاية بنسلفانيا للاستدامة.

ووجدوا أن الفائدة المشتركة لتوليد الكهرباء والتبريد من نظام الحصاد المزدوج يمكن أن تتجاوز توفير الكهرباء لخلية شمسية مجردة بنسبة تصل إلى 30%. وبعبارة أخرى، فإن تجميع الموارد معًا كزوج يتجاوز أداء استخدام أي من الموارد على حدة.

وقال تشو: “بناء على هذه النتائج التجريبية، فإن استخدام الحاصدتين معًا لديه القدرة على التفوق بشكل كبير على الخلية الشمسية العارية، وهي تكنولوجيا رئيسية للطاقة المتجددة”.

والفائدة الأخرى هي حجم الوحدة: بما أن الحاصدتين مكدستان، فإنهما تشغلان مساحة صغيرة على السطح أو على الأرض.

وقال جوش: “في نفس الوقت وفي نفس المكان، يمكننا استغلال هذه الموارد المتجددة معًا، على مدار 24 ساعة يوميًا”.