السلام عليكم ورحمـــة الله وبركاته
شحالكم؟
أريد تقرير عن الخلية الشمسية
لمادة الفيزياء
من حيث المقدمة الموضوع والخاتمة والمراجع والفهرس
ضروري
والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته
القمر يولد الكهرباء
المقدمة :ـ
من المتوقع أن يصل عدد سكان العالم إلى 10 مليارات نسمة بحلول عام 2050م، وهذا العدد الهائل من البشر سيصل احتياجه من الطاقة إلى 5 أضعاف الطاقة التي يتم توليدها حاليا. لهذا ظهرت الحاجة للحصول على العديد من المصادر الطبيعية التي لا تنضب بخلاف المستخدمة الآن لاستغلالها استغلالا أمثل في إنتاج الطاقة مستقبلا.
ومن أطرف المشاريع المستقبلية في هذا المجال مشروع جديد يعتمد على القمر في توليد الكهرباء. ويرتكز هذا المشروع على أنظمة "الطاقة الشمسية القمرية" The Lunar Solar Power لبناء محطات لتوليد الطاقة الكهربائية على سطح القمر، تتكون من ألواح عريضة من الخلايا الكهروضوئية. وتقوم هذه الألواح بتلقي واستقبال أشعة الشمس الساقطة على القمر وعكسها في صورة أخرى إلى الأرض حيث تستقبلها أجهزة استقبال وتحولها إلى طاقة كهربائية.
وقد يبدو الحديث عن كهرباء من القمر أشبه بالخيال العلمي الآن، لكن عرض مشروع جديد لأول مرة في أكبر مؤتمر دولي لأبحاث وتقنية الفضاء المعروف بـ"كونجرس الفضاء العالمي" (انعقد في هيوستن في الولايات المتحدة في الفترة من 10-19 أكتوبر 2022)، أظهر أن هناك تخطيطا تفصيليا لهذه التقنية يظهر كيفية الاستفادة من طاقة الشمس على القمر، وتحويلها إلى كهرباء ترسل إلى الأرض لسد الاحتياجات المتزايدة لسكان الأرض.
لماذا القمر؟
دافيد كريسويل
ولكن لماذا يذهب العلماء إلى القمر للحصول على الطاقة الشمسية بالرغم من وجود مواقع كثيرة زاخرة بأشعة الشمس على مدار العام على الكرة الأرضية! وعلى الرغم من أن مقدار الإشعاعات الشمسية التي تصل إلى الأرض كل 20 دقيقة يعادل طاقة الوقود الأحفوري التي تستعملها البلدان الرئيسية المستهلكة للطاقة سنة كاملة؟!
للإجابة على هذه التساؤلات ينبغي النظر في البداية إلى هذا المشروع؛ باعتباره حلقة مهمة في سلسلة الآمال المعلقة على الطاقة الشمسية لحل مشاكل نقص الطاقة في المستقبل، ويؤكد "دافيد كريسويل" مدير معهد عمليات علم الفضاء بجامعة هيوستون الأمريكية أن هذه العملية يمكن أن تمد الأرض بجميع احتياجاتها من الطاقة بحلول عام 2050. ومن المتوقع أن تحدث طفرة مستقبلا في هذا المجال مع التقدم التقني في علوم الفيزياء والفضاء لجعل هذه الطاقة اقتصادية وسهلة الاستخدام وتتناسب مع كل أفراد المجتمع.
والبروفيسور "كريسويل" حصل على درجة الدكتوراة في الفيزياء من جامعة "رايس"، ويعكف على دراسة هذه الفكرة العجيبة منذ 22 عاما، حينما كان مديرا في معهد العلم القمري الذي يعرف حاليا بـ"المعهد القمري والكوكبي"، ويرى أنها ليست فكرة جيدة فحسب، ولكنها حيوية وضرورية في ضوء حاجة الأرض المتزايدة إلى مصادر طاقة متجددة. ويقول في هذا الشأن: "ربما يكون القمر هو البديل الوحيد مستقبلا للحصول على هذا القدر من الطاقة".
ومن المعروف أن القمر لا يعرف العوائق التي تحد من كامل الاستفادة من طاقة الشمس على الأرض؛ فهو يخلو من الغلاف الجوي. ومن الطبيعي انعدام السحب والأمطار والعواصف الجوية والترابية فيه؛ مما يجعله مكانا مثاليا لالتقاط كميات هائلة من أشعة الشمس التي يتم الحصول عليها كاملة بصورة مستمرة؛ لأن أشعة الشمس تسقط على القمر طوال العام، ما عدا ثلاث ساعات فقط أثناء الكسوف القمري الكامل.. ويوضح "كريسويل" أن 1% فقط من الطاقة الشمسية التي يتلقاها القمر من الشمس (التي تقدر بحوالي 13 ألف تيراوات terawatts) كافية للوفاء باحتياجات الأرض من الطاقة، وأن المحطات التي سيتم بناؤها على القمر لن تتعرض لأي مؤثرات خارجية قد تؤثر على عملها في ضوء الانعدام المناخي الذي يتمتع به القمر.
استخلاص الكهرباء من الشمس
الخلايا الكهروشمسية
ومع افتراض البدء بتنفيذ هذا المشروع الآن فإنه من المتوقع الحصول على طاقة من القمر خلال 10 سنوات على الأكثر، ولكن قد ينتظر القائمون على هذا المشروع 5 أو 10 سنوات أخرى لبدء الخطوات التنفيذية، لكي تكون أجهزة استخلاص الكهرباء من الشمس في مستوى يضمن توفير كهرباء بلا حدود من القمر.
ومن المعروف أن تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربية يعتمد على الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الكهروشمسية التي تعرف علميا باسم "فوتوفولتيكس". وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة عام 1839م حيث وجد أحد علماء الفيزياء أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن، وقد نال العالم أينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لتفسيره لهذه الظاهرة، واخترع الأمريكي "روسل أوهل" الخلية الشمسية المصنوعة من السليكون في عام 1941م. وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تستهلك وقودا، ولا تلوث الجو، وحياتها طويلة، ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة.
وتقدر عادة كفاءة الخلايا الشمسية بحوالي 20%، وما زال التطور في قدرات وتكاليف هذه الخلايا مستمرا حتى الآن، وتجرى العديد من التجارب لإنتاج خلايا كهروضوئية أشد فاعلية وزهيدة النفقات؛ فكلفة استخراج الكهرباء من الطاقة الشمسية آخذة في التناقص، وتناقصت بنسبة تزيد على 65% خلال السنوات العشر الماضية فقط. حيث يطور العلماء تقنيات جديدة لزيادة القدرة التحويلية للخلايا الشمسية وتخفيض تكلفتها، وتطوير قدراتها.
ومن المنتظر أن تطرح شركة "سفرال سولار" الكندية باكورة إنتاجها من ألواح الخرز الكهروشمسي هذا العام 2022، وهي تقنية جديدة رخيصة الكلفة، وتتميز بالمتانة وقدرتها على التشكل وطواعيتها في الاستخدام لأي غرض.
وفى الشهر الماضي (مايو 2022) ابتكر علماء الهندسة الكهربائية في جامعة برينستون الأمريكية تقنية جديدة تجعل من الخلايا الشمسية مصدرا اقتصاديا مهما للطاقة. وتعتمد هذه التقنية على استخدام مواد عضوية تتألف من جزيئات كربونية بدلا من الأنواع التقليدية المعتمدة على مواد سيليكونية، وتسمح بتوليد الكهرباء بكلفة أقل ولاستعمالات أكثر. وفي الوقت الراهن يجري الباحثون في مركز تكساس للتواصلية الفائقة والمواد المتقدمة Texas Center for Superconductivity and Advanced Materials أبحاثا لتطوير أساليب النانوتكنولوجيا لتحويل التربة القمرية إلى خلايا شمسية. ويؤكد "إليكس فريوندليتش" أستاذ بحوث الفيزياء أن تربة القمر تحتوي على المكونات الضرورية لتصنيع الخلايا الشمسية بطريقة النانوتكنولوجيا، وأنها ستكون ذات قدرة تحويلية أعلى بكثير من 35%.
كيف يتم التخطيط للمشروع؟
يعتمد التخيل المستقبلي لوضع هذه التقنية في حيز الوجود على تقنيات علمية متوفرة حاليا وعلى المواد المتواجدة بالفعل على القمر، وليس هناك حاجة إلى شحن مواد خام إلى القمر لبناء هذه المحطات؛ لأن هذه المواد متاحة بالفعل في القشرة العليا للقمر lunar regolith.
ويمكن البدء في هذا المشروع عن طريق إرسال عدد محدود من رواد الفضاء إلى القمر مع سيارة قمرية معدلة من نوع "روفر" التي تعرف بـ"المتجول القمري المستقل ذاتي الحركة عبر سطح القمر" والتي ابتكرت أثناء الرحلات الشهيرة إلى القمر خلال الفترة من 1969-1972. ويفكر العلماء بإجراء بعض التعديلات عليها مثل تزويد السيارة بعجلات عريضة بها محركات خاصة تحيل تربة القمر إلى حالة قريبة من الانصهار، يستفاد منها في الحصول على السليكون وعلى الكثير من المواد الأخرى اللازمة لتصنيع الخلايا الشمسية.
ولن يكون هناك أي مشكلة في البناء؛ فيكفي عدد قليل جدا من الرواد، مع مجموعة مبرمجة من الروبوتات؛ ليتم إنشاء محطة ضخمة على القمر -كمحول طاقة شمسي عملاق- كفيلة باستقبال أكبر قدر من أشعة الشمس وتحويله إلى كهرباء، وستكفي نسبة 1% فقط من أشعة الشمس على القمر لإمداد ضعف عدد السكان في العالم بكل احتياجاتهم من الطاقة الكهربائية أو الحرارية. وبعد تشغيل هذه المحطة يعود الرواد إلى الأرض؛ لتقوم الروبوتات المبرمجة والمتصلة بمركز المتابعة على الأرض بمهام الإشراف الكامل عليها.
أما عملية توصيل الكهرباء من القمر للأرض فمن المتوقع أن تكون أكثر سهولة، وستتم عن طريق تحويل الطاقة الكهربية المجمعة من القمر إلى أشعة المايكروويف التي تنطلق بسرعة نحو الأرض ليتم استقبالها عن طريق أجهزة متطورة تعيدها إلى كهرباء. ويمكن أن يتم توزيع الكهرباء بالطرق التقليدية إلى جميع مناطق العالم، عبر مراكز مزودة بوسائل تضمن تلبية احتياجات البشر من الطاقة.
ويتوقع المؤيدون لإنشاء محطات الطاقة الشمسية القمرية أن هذه التقنية ستوفر طاقة كهربائية مستمرة ورخيصة إلى أهل الأرض، وأن الاستثمار الرأسمالي للقمر سيؤسس مستعمرات إنسانية كبيرة وقدرة تصنيعية عالية تستطيع خلق ثروة هائلة جديدة. كما يتوقعون أن هذه الثروة ستمكن الإنسان من الاستكشاف المربح للقمر والنظام الشمسي الداخلي، وستزيد من قدرات سكان الأرض والقمر في الدفاع عن أنفسهم ضد هجوم المذنبات والكويكبات الشاردة في الكون الفسيح!
المصادر:ـ
§ جريدة البيان الإماراتية (2002م). "طاقة ضوء منحة من القمر للأرض" 3/12/2002.
§ مجدي فهمي (2003م). "كهرباء وفيرة من القمر"، جريدة الأخبار، العدد: 16059، 14/10/2003.
§إمكانات و آفاق توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة في دول الإسكوا / اللجنة الاقتصادية و الاجتماعية لغربي آسيا , نيويوك : الأمم المتحدة، 2001 .
§ موقعhttp://www.aip.org/ , المعهد الأمريكي للفيزياء.
