تسخير الطبيعة لتصنيع الخلايا الشمسية
نتيجة لبحوث أجريت في معهد ماساتشوستس للتكنلوجيا يرى الباحث أندرياس مارشن Andreas Mershin بأنه في غضون بضع سنوات ، سيكون بمقدور الناس في القرى النائية في العالم النامي من تصنيع ألواح شمسية لتوليد الكهرباء بأنفسهم وبتكاليف منخفضة جدآ ، وذلك بأستخدام مواد لا قيمة لها هي من المخلفات الزراعية من المواد الخام والمبتذلة.
فالخلية الضوئية هذه هي خلية فوتو فولتاي بايولوجية biop-hoto-voltaic وهي خلية كهروضوئية نظيفة وحميدة وسهلة ، مادتها الأساسية هي العشب و قصاصات الأعشاب الضارة والنفايات النباتية و البروتينات النباتية مع رقاقة لتجميع الطاقة الشمسية.
كان عمل الباحث أندرياس مارشن Andreas Mershin هو امتداد لمشروع بُدأ العمل فيه قبل ثماني سنوات من قبل شو قوانغ تشانغ Shuguang Zhang ، وهو عالم أبحاث رئيسي ومدير مشارك في مركز معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للهندسة الطبية الحيوية.
كان تشانغ معد ومؤلف لورقة جديدة جنبا إلى جنب مع مايكل كراتزل Michael Graetzel من سويسرا الذي يعمل في كلية الفنون التطبيقية في لوزان École Polytechnique Fédérale de Lausanne.
في عمله الأصلي حشد تشانغ مجموعة معقدة من الجزيئات المعروفة باسم
Photosystem-I (PS-I) ، وهياكل صغيرة داخل الخلايا النباتية التي تنفذ عملية التمثيل الضوئي Photosynthesis .
أستمد تشانغ وزملاؤه الـ PS-I من النباتات ، وثبتوها كيميائيا بحيث شكلت كطبقة على رقاقة زجاج التي يمكن لها أن تعمل مثل الخلايا الضوئية التقليدية – التي تنتج تيار كهربائي عند تعرضها للضوء.
ولكن كان لهذا النظام الأولي بعض السلبيات ، حيث أن أستخراج وتجميع وتحقيق الأستقرار و الثبات في تلك المواد الكيميائية كان يتطلب مختبر ومعدات معقدة و متطورة باهظة الثمن ، وكذلك كانت الخلية الشمسية الناتجة ضعيفة جدآ ، فكفاءتها كانت منخفضة جدآ وبقدرة أقل من أن تكون صالحة معها لأي أستخدام ، وهذا يعني أنه كان لا بد من أن يطلق عليها ليزر عالي الطاقة لإنتاج أي تيار كهربائي منها على الإطلاق.
يقول أندرياس مارشن الآن تم تبسيط العملية لدرجة بأن أي مختبر يمكن تطبيقها وتكرارها – حتى لو كان ذلك المختبر في كلية أو أي مختبر من مختبرات العلوم في المدراس الثانوية High school – مما سيسمح للباحثين في جميع أنحاء العالم إلى البدء فيأستكشاف هذه العملية وإدخال مزيد من التحسينات عليها.
فأن كفاءة النظام الجديد هي 10,000 مرة أكبر مما كانت عليه في النسخة الأولى – وذلك على الرغم من أن تحويل يكون 0.1 % فقط من طاقة ضوء الشمس إلى كهرباء ، مع ذلك لا يزال المشروع بحاجة إلى تحسين آخر و لعشرة أضعاف أو أكثر حتى يصبح مفيدآ وعمليآ.
أن المفتاح لتحقيق هذا التحسن الكبير في كفاءة كما يفسره أندرياس مارشن هو إيجاد وسيلة لتعريض الـ PS-I أكثر بكثير من مجمع مساحة لكل من الجهاز لأشعة الشمس.
فأن عمل تشانغ في وقت سابق أنتج ببساطة طبقة رقيقة مسطحة من المادة ، و أن أمل مارشن بالتقدم الجديد هو كشجرة صنوبر في غابة ، حيث لاحظ مارشن ، أن لدى معظم أشجار الصنوبر جذوع عارية ومظلة بفروع وأغصان فقط في أعلى قمة الشجرة ، حيث يكون هناك عدد قليل من الفروع الصغيرة على طول اأرتفاع وطول الجذع ، وهي التي تلتقط أي أشعة للشمس من تلك التي تغلغلت من فوق إلى الأسفل ، لذا قال انه قرر إنشاء غابات مجهرية على الرقاقة مع الـ PS-I يطلي “تلك الأشجار” من الأعلى إلى الأسفل.
أستغرق تحويل هذا التبصر في جهاز عملي إلى سنوات من العمل ، ولكن في النهاية كان مارشن قادرا على إنشاء غابة صغيرة من أسلاك أوكسيد الزنك (ZnO) النانونية فضلا عن ثاني أوكسيد التيتانيوم (TiO2) التي تشبه الأسفنج البني النانوي المغلف بالمادة الخفيفة للمادة المشتقة من البكتيريا.
أما الأسلاك النانونية فهي ليست فقط بمثابة هيكل لدعم تلك المادة ، ولكن أيضا كأسلاك تحمل وتنقل تدفق الألكترونات التي تولدها الجزيئات وصولآ الى الطبقة الداعمة من المواد ، من التي يمكن توصيلها إلى الدائرة.
“انها مثل غابة نانونية كهربائية Electric nanoforest “.
الشيء اللطيف هو أن كلا من أوكسيد الزنك وثاني أوكسيد التيتانيوم وعلى حد سواء هما العنصران الرئيسيان في العديد من كريمات الوقاية من أشعة الشمس – وكلا المادتين هما جيدتين جدا في أمتصاص الأشعة فوق البنفسجية ، وهذا مفيد في هذه الحالة بسبب الأشعة فوق البنفسجية تميل إلى أتلاف الـ PS-I ، ولكن في هذه الهياكل يحصل أمتصاص للأشعة الضارة من قبل هيكل الدعم.
يعتقد مارشن أنه وزملاءه قد خفضوا الآن الحاجز لدخول مزيد من العمل في هذه المواد ، والتقدم جاري بأتجاه تحسين كفاءتها وينبغي أن يكون ذلك سريعآ.
وكما يقول “في النهاية وبمجرد أن تصل كفاءتها إلى 1% أو 2 % ، فأن ذلك من شأنه أن تكون جيدة بما يكفي ولتكون مفيدة ، وذلك لأن المكونات الأساسية لها هي رخيصة جدا، ومعالجتها بسيطة جدا ، فأنه يمكن أستخدام أي شيء أخضر، من قصاصات العشب كمادة خام لها ، حيث سيتم أستخدام جهاز للطرد المركزي لتركيز الجزيئات الـ PS-I ، وقد أقترح الفريق العمل وسيلة لتحقيق هذا التركيز من خلال أستخدام الأغشية غير المكلفة للترشيح ، و ليس هناك حاجة لأي شروط مختبرية خاصة ، ولأن النظام هو رخيص جدا وبسيط ، فأن مارشن يأمل بأن هذا النظام سوف يصبح “طريقة للحصول على تكنولوجيا منخفضة للكهرباء للأشخاص الذين لم يسبق لهم كمستهلكين أو كمنتجين أستخدام تكنولوجيا الطاقة الشمسية” ، وأضاف “أنه يأمل فى أن تكون التعليمات لصنع الطاقة الشمسية بخلية من هذا النظام سوف تكون بسيطة بما فيه الكفاية وبأنها ستقتصر على ورقة واحدة من التعليمات والرسوم التوضيحية ، مع عدم الحاجة إلى وجود كلمات وشروحات معقدة” ، ولكن العنصر الوحيد التي سيتم شراؤها سيكون المواد الكيميائية لتحقيق الاستقرار في جزيئات الـ PS-I ، والتي يمكن تعبئتها بشكل رخيص في كيس من البلاستيك.
أساسآ مارشن متفائل جدآ فهو يقول “في غضون بضع سنوات سيمكن لأي قروي يسكن في منطقة نائية و بعيدآ عن المدينة ، أخذ تلك الحقيبة أو الرزمة ، ومزجه مع أي شيء أخضر وطليه على السطح للبدء في أنتاج الطاقة الكهربائية ، والتي يمكن أن توجه لشحن بطاريات الهواتف المحمولة أو المصابيح و الفوانيس الكهربائية اليدوية” ، ” فاليوم ، أكثر المصادر المستخدمة على نطاق واسع في الإضاءة في مثل تلك المواقع النائية هي فوانيس الكيروسين أو الشموع – وأن معظمها هو غير صحي وليكون شكل من أشكال الإضاءة الجيدة” ، “فأن تبديد ظلام الليل سيكون هو الوسيلة الأولى للخروج من الفقر” ويضيف ”لأنها ستمكن الأشخاص الذين يعملون في الحقول طوال النهار القراءة في الليل والحصول على التعليم اللازم والتثقف”.
يقول باباك بارفيز Babak Parviz ، وهو أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية في جامعة واشنطن والمتخصص في تقنية النانو الحيوية ، ” هذه هي الورقة العلمية مثيرة للغاية وخطوة جميلة جدا نحو دمج الجزيئات الحيوية لبناء الخلايا الشمسية ، وهذا يدل على خطوة واعدة جدا وخلاقة نحو بناء الخلايا الضوئية العضوية التي يمكن أن تستخدم النوبيولوجيا المنتجة” ويضيف “أنه في حين أن النظام الحالي لا يزال بحاجة إلى مزيد من التطوير و مزيد من العمل في هذا المجال فأنه يمكن أن يحسن أداء وتوطيد هذه الأجهزة “.
للمعلومات: تم تمويل هذا البحث في جزء من منحة مقيدة من شركة أنتل ، والتي شملت أيضا باحثون من جامعة ولاية تينيسي.
مهند الشيخلي … muhannad alsheikhly
