الفيزياء

الأقمار الصناعية المعتمدة على الطاقة الشمسية وأهمية هذه الطاقة في حياتنا

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

"استغلال طاقة الشمس الضخمة بواسطة بطارية باستعمال مكون الرمل"، استُخدم عنوان في صحيفة نيويورك تايمز في 26 نيسان 1954.

لقد أعلنت المقالة المرافقة اختراع مختبر بل أول خلية شمسية فعالة تعتمد على وصلة p-n في السيليكون. ومكون الرمل المشار إليه هو السيليكون بالطبع. يتناول هذا الفصل الطاقة الشمسية وكواشف الإشعاع والعلوم المؤسسة لها.

كان هذا الوقت مبشراً لمثل هذا الاختراع لأن استكشاف الفضاء كان على وشك البداية وكان الأمر يحتاج إلى مصدر طاقة متجدد. أُطلِقت مركبة الفضاء سبوتنيك بعد ثلاث سنوات فقط في عام 1957 وبدأ سباق الفضاء.

غُذيت سبوتنيك بواسطة بطاريات تقليدية وتوقفت عن إرسال الإشارات إلى الأرض عندما نفذت البطاريات. أُطلِقت مركبة الفضاء فانغارد 1 (Vanguard I) عام 1958، وكانت تمتلك أجهزة إرسال مغذاة بواسطة بطارية وطاقة شمسية معاً، واستمرت بالإرسال خلال ثمان سنوات، حتى تعطلت بسبب تخريب الخلايا الشمسية بفعل الإشعاع.

 بُني أول قمر صنعي للاتصالات في العالم، تلستار، من قبل مختبرات بل، وأطلِق من قبل الناسا NASA عام 1962، وكان مُغطى بالكامل تقريباً بخلايا السيليكون الشمسية (الشكل 1.5).

 

خلال نصف القرن التالي، أصبحت الأقمار الصنعية المغذاة بالطاقة الشمسية جزءاً لا يتجزأ من حياتنا، ولقد أُطلِق آلاف الأقمار الصنعية المغذاة بالطاقة الشمسية التي اُستعملت كحلقات اتصال في تكنولوجيا الاتصالات والمعلومات الكوكبية.

فهناك أقمار صنعية للهواتف الجوالة وأقمار للتلفزيون وأقمار للأرصاد الجوية وأقمار لنظام المعطيات الجغرافي غيرها وغيرها. ويعتمد استكشاف القمر والكواكب على الطاقة الشمسية. ولقد تفتح الاكتشاف بالصدفة من قبل راسل أوهل للوصلة p-n ومشاهدته أنها تحول الأشعة الشمسية إلى تيار مستمر – الأثر الكهرضوئي (Photovoltaic)– عن واحدة من التكنولوجيات التمكينية التي جعلت علم الفضاء ممكناً.

ومع أن الأقمار الصنعية تعتمد على حصاد الطاقة الشمسية، فإن الاستعمال الأرضي للطاقة الشمسية يشتمل فقط على نسبة صغيرة (1 %) من استعمالنا الحالي للطاقة. ويستعمل الوقود الأحفوري لتلبية معظم حاجات العالم من الطاقة، وذلك لأنه في الوقت الحاضر رخيص وغزير الوفرة، لكنه محدود المورد ومصدر للتلوث.

بعد حظر النفط في أعوام السبعينات، جرت محاولات لزيادة صناعة الطاقة المتجددة، لكن العالم فقد الاهتمام مع ذبول ذاكرة الحظر. ومع تجدد الهموم حول استقرار وسعر توريدات النفط، وتزايد هذه الهموم حول ارتفاع حرارة الأرض، يسعى العالم ثانية إلى تطوير مصادر طاقة متجددة.

على مستوى بعيد الأمد، تعتبر الطاقة الشمسية، على عكس الوقود الأحفوري، الشكل المتجدد الوحيد للطاقة المتوفرة لنا. وتبلغ الطاقة التي تقدمها الشمس إلى الأرض مقدار 120,000 تيرا واط في العام. بالمقابل، يستعمل النشاط البشري على الأرض ما يقارب 14 تيرا واط في العام. بتعبير آخر، تُقدم الشمس ما يكافئ الاحتياجات الطاقية السنوية كل ساعة وتُقدّر احتياطيات النفط الإجمالية المعروفة بحوالي 1.5 يوم من الطاقة الشمسية.

يمكن حصاد طاقة الشمس وفق عدد من الطرائق تتضمن الخلايا الشمسية الكهرضوئية والتسخين الشمسي المباشر وطاقة الرياح- التي تنتج عن تسخين الشمس للأرض والجو- أو تنمية الكتلة الحية التي تُحول لاحقاً إلى وقود. ويكمن التحدي في تخفيض كلفة الطاقة الشمسية كي تكون منافسة للوقود الأحفوري ولتخزينها للاستعمال عند الحاجة.

 

تبلغ كلفة الكهرباء من الأنظمة الكهرضوئية حالياً بين $0.25 و $0.65 للكيلو واط ساعة في حين تبلغ كلفة الكهرباء من الفحم $0.04 للكيلو واط ساعة (Slaoui and Collins 2007). وعلى الرغم من مساوئ الكلفة، تُعتبر الطاقة الشمسية منافسة في المناطق النائية حيث تعادل تكاليف الصيانة والتشغيل المنخفضة تكاليف التركيب الابتدائي العالية [لمصدر الطاقة الأخرى].

وعلى العموم، يُعتبر تركيب الطاقة الشمسية منافس عندما تحتاج شبكة الكهرباء العامة إلى بناء محطة طاقة جديدة. وعند مفاضلة القرار بين بناء محطة كهرضوئية ومحطة توليد تقليدية باستعمال الوقود الأحفوري، يجب أن تأخذ شركة عامة بعين الاعتبار تغيرات أسعار الفيول والتكاليف المستقبلية المحتملة لانبعاثات الكربون وتوفر الماء.

علاوة على ذلك، يجب مراعاة أن محطة كهرضوئية يمكن أن تُبنى خلال عدة سنوات في حين أن محطة توليد بالوقود الأحفوري تُبنى خلال 10-15 سنة (Swanson 2009).

تبني شركات الكهرباء العامة حول البلاد محطات كهرضوئية، ويبين الشكل 2.5 محطة تبلغ استطاعتها 8 ميغا واط بُنيت من قبل شركة SunEdison LLC من أجل Xcel Energy.

بلغ الإنتاج العالمي للمنشآت الكهرضوئية في عام 2007 حوالي 4 غيغا واط، وفي عام 2008 حوالي 7 غيغا واط، أي بزيادة 60% في السنة (راجع (Lenardic 2011) من أجل لائحة أكبر 50 محطة كهرضوئية في العالم).

وتعتبر المحطة بطاقة 97 ميغا واط التي بُنيت من قبل First Solar في Sarnia– أونتاريو- كندا أكبر محطة حتى نهاية عام 2010.

 

هناك أكثر من مائة شركة في الولايات المتحدة لتصنيع الأنظمة الكهرضوئية، لكن الولايات المتحدة أنتجت 7% فقط من الإنتاج العالمي للطاقة الكهرضوئية عام 2008، في حين أنتجت ألمانيا 57%. وتدعم حكومات أكثر فأكثر صناعات الطاقة المتجددة عندها كي تصبح منافسة اقتصادياً، وذلك كما فعلت الحكومة الأميركية مع صناعة أنصاف النواقل الناشئة في أعوام الخمسينات 1950.

وستصبح الطاقة المتجددة صناعة هامة خلال القرن الواحد والعشرين، وتحتاج الولايات المتحدة للمنافسة من أجل امتلاك حصة في هذه السوق وما يرافقه من خلق فرص عمل. ونادراً ما يمر أسبوع دون مقالة في الصحافة أو التلفزيون حول مشروع طاقة متجددة جديد. ومن المشجع أن يركز العالم جهوده ثانية لجعل الطاقة الشمسية بديلاً صالحاً للوقود الأحفوري (Swanson 2006).

ومع ذلك، تواجه صناعة الطاقة الشمسية تحديات ضخمة لشق طريق واسعة في عالم الطاقة، فيجب تناقص كلفة الكيلو واط ساعة بمعدل 5 مرات عبر خلايا شمسية أفضل وتخفيض تكاليف أجهزة الأنظمة واقتصاديات التصنيع الواسع.

خلال السنوات الخمس والثلاثين الماضية، تبعت كلفة نظام طاقة شمسية منحني التعلُّم الصناعي التقليدي حيث انخفضت كلفة النظام بمعدل 20% في كل مرة تضاعف عندها الإنتاج التراكمي، كما تناقصت هذه الكلفة بحوالي 25 مرة منذ سنوات السبعينات 1970.

وينبغي أن تستمر هذه التكاليف في اتباع منحني التعلُّم هذا، خصوصاً مع النمو الأسي الحالي في الإنتاج. وفي نفس الوقت، يقود البحث والتطوير إلى خلايا شمسية أكثر فعالية وأقل سعراً، كما تختبر شركات ناشئة أكثر عدداً أفكاراً جديدة لنظم كهرضوئية. وتتنبأ خرائط طريق التكنولوجيا أن الطاقة الشمسية ستصبح منافسة تماماً لتوليد الطاقة التقليدي في حدود عقد من الزمن (Swanson 2009).

مجلة العلوم
‫‪الهرمونات الجنسية  تفسر سبب إصابة الرجال أكثر بالفيروس
قلم:       ميريديث وادمان
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
في يناير ذكرت إحدى أولى النشرات العلمية عن المصابين بفيروس كورونا المستجد  Novel coronavirus في ووهان بالصين، أن ثلاثة من كل أربعة أدخلوا المستشفى كانوا ذكورًا. ومنذ ذلك الوقت أكدت بيانات من مختلف أنحاء العالم أن الرجال يواجهون خطرًا أكبر للإصابة بمرض شديد أو الوفاة، وأن الأطفال مستَثْنَوْن بشكل كبير. مؤخرًا، توصل العلماء الذين يبحثون في الكيفية التي يؤدي  الفيروس بها إلى الوفاة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪دراسات كبيرة تذوي آمال عقار الهيدروكسي كلوروكوين
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر Pulitzer Center.
عبر ضباب مزاعم الاستغلال، والأمل، والمبالغة في الدعاية، والتسييس الذي يكتنف الدواء هيدروكسي كلوروكوين Hydroxychloroquine، دواء لعلاج الملاريا Malaria الذي أعلن عنه كعلاج لمرض كوفيد-19 COVID-19، تبدأ حاليا الصورة العلمية بالتجلي.
الهيدروكسي كلوروكوين الذي أثنى عليه رؤساء كمعجزة شفائية محتملة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪الإشكاليات الطبية لمرض كوفيد 19
. جمال المطر اختصاصي في أمراض الأذن والأنف والحنجرة، الكويت
تعد الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات من العوامل الممرضة الشائعة للإنسان، ويتميز بعضها عن بعض بعدد من الخصائص والسمات. فبعض الفيروسات يصيب النباتات وبعضها يصيب الحيوانات، وهناك أنواع تصيب الإنسان مسببة له أمراضاً متنوعة مثل متلازمة عوز نقص المناعة المكتسبة الإيدز، والتهاب الكبد الفيروسي، والحصبة. ويشهد العالم حاليا أول جائحة يسببها فيروس كورونا الذي ينتمي إلى فصيلة فيروسات واسعة ... (قراءة المقال)
‫‪مجرة درب التبانة و جيرانها
لسلام عليكم .. في كثير من حلقات البرنامج السابقة تكلمنا عن اهم عناصر المجموعة الشمسية التي نعيش فيها من كواكب و أقمار و كيوكبات و احزمة .. و انتهينا بشرح عن بلوتو و حدود المجموعة الشمسية .. ولكن هذه المجموعة تقع و تدور ضمن كيان و محيط اكبر .. و هي المجرة التي نعيش فيها و تحوي الملايين و الملايين من النجوم المشابهة لشمسنا و غيرها من الشموس و نطلق عليها درب التبانة .. في هذه الحلقة سنسافر في رحلة كونية بعيدة نتعرف فيها على بنية المجرة و مكوناتها ... (قراءة المقال)
أخبار العلوم
‫‪التعديل الوراثي التخلّقي يصل إلى الحمض النووي الريبي
قلم: كين غاربر، في شيكاغو بولاية إلينوي
ترجمة: صفاء كنج
انتقلت فكرة تأثير الواسمات الكيميائية في الجينات على تعبيرها الخارجي دون تغيير تسلسل الحمض النووي اختصاراً: الحمض DNA من كونها مسألة مفاجئة في الماضي إلى أن صارت مادة مقبولة تُدرس في الكتب.
ظاهرة التعديل الوراثي التخلقي Epigenetics، وصلت إلى الحمض النووي الريبي المرسال اختصاراً: الجزيء mRNA، وهو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى مصانع تصنيع البروتين في ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل تنجح هيئة الخدمات الصحية في مشروع تتبع الاتصالات الذي تعده؟
جرّب الفرع الرقمي لهيئة الخدمات الصحية الوطنية اختصاراً: الفرع NHSX تطبيقا App سيخبرك ما إذا خالطت أي شخص ظهرت عليه أعراض كوفيد -19. ولكن ما هي التكلفة المترتبة على خصوصيتك جراء ذلك؟
إن أحد التحديات الكبيرة التي تطرحها مكافحة فيروس كوفيد-19 COVID-19 هو أنه معدٍ قبل ظهور أي أعراض على الأشخاص المصابين به. ويمكن أن يساعد تتبع الأشخاص الذين اختلطوا بالمصاب على الحد من انتشار الفيروس، من خلال معرفة عدد الأشخاص الذين ربما نقل إليهم المريض ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪من خارج هذا العالم
وب بانينو Rob Banino @robertbanino صحفي مستقل يعمل في بريستول
الحياة على المريخ أعالي البحار، الجزيرة الكبيرة، هاواي، الولايات المتحدة الأمريكية
بذلة الفضاء ليست أول ما يخطر في ذهن أي شخص يزور هاواي. هذا إلا إذا كان سيقضي ثمانية أشهر في موئل هاواي لاستكشاف الفضاء بالتناظر والمحاكاة Hawaii Space Exploration Analog and Simulation اختصاراً: الموئل HI-SEAS على بركان ماونا لوا. ويتيح الموئل HI-SEAS للباحثين دراسة كيفية تعامل الناس مع ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪تكسي طائر من هيونداي وأوبر S-A1 AIR TAXI
ل هذا طائر؟ أم هي طائرة؟ لا، إنها مركبة جوية شخصية Personal Air Vehicle. طوّرت S-A1 شركةُ هيونداي Hyundai، وهي مصممة للإقلاع عموديّاً ثم التبديل إلى الوضع الأفقي أثناء الطيران، قبل الهبوط عموديّاً من جديد. وقد تحمل المركبة التي عُرضت كمفهوم في المعرض CES أربعة ركاب إضافة إلى طيار، مع سرعة ملاحة تصل إلى 290 كم/ساعة وتحلق على ارتفاعات من 300 إلى 600 متر. هل هي آمنة؟ زودتها هيونداي بمراوح زائدة عن الحاجة «للتأكد من أن أي عطل في المحرك لن يحطم ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪الروبوتات المختصة بالخدمة
كزت الابتكارات على امتداد فترة طويلة على جعلنا أكثر ارتباطاً ببعضنا بعضاً. وها نحن في الوقت الحالي، صرنا أكثر ارتباطاً بأشيائنا. ولم تعد الأدوات المنزلية مجرد أدوات ذكية، بل صارت قابلة للتكيف ومتنقلة، وحتى أنّ البعض منها لديه ما يمكن أن تسمّيه بالشخصية.
لنأخذ، على سبيل المثال، بالي Ballie من شركة سامسونغ. إنه مفهوم جديد للمساعد الشخصي الشبيه بالكرة والذي كشفت عنه الشركة في المعرض CES. وتصف الشركة بالي بأنه مساعد يتلقى الطلبات عبر الصوت ... (قراءة المقال)