تـــكـــفـــون
طاقة شمسية من القمر!
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 (2017م). "طاقة ضوء منحة من القمر للأرض" 3/12/2017.
مجدي فهمي (2017م). "كهرباء وفيرة من القمر"، جريدة الأخبار، العدد: 16059، 14/10/2017.
إمكانات و آفاق توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة في دول الإسكوا / اللجنة الاقتصادية و الاجتماعية لغربي آسيا , نيويوك : الأمم المتحدة، 2022 .
موقعhttp://www.aip.org/ , المعهد الأمريكي للفيزياء.
و أتمني أن تستفيدوا منه
أتمني لكم التوفيق
سويت ورقة عمل حق اختيه وقلت بنزلها فالمدونة
الله يخلييييييييييييكم ساعدوووووني
هل تساءلت يوماً من الأيام عن كيفية عمل الطاقة النووية وعن كيفية بقاء الطاقة النووية آمنة؟
سنقوم في هذه المقالة بتوضيح كيفية عمل المفاعل النووي ومحطة الطاقة وسنقوم بشرح الانقسام النووي وإعطائك نظرة داخل المفاعل النووي.
إن اليورانيوم عنصر شائع جداً على الأرض دمج مع الكوكب أثناء تشكله وقد تشكل أصلاً في النجوم حيث انفجرت النجوم القديمة وتجمعت الغبار من هذه النجوم المحطمة لتشكل كوكبنا.
إن اليورانيوم 238 لديه نصف حياة طويل جداً (4.5 بليون سنة) ولهذا السبب مايزال موجوداً بكميات كبيرة جداً أي بحوالي 99 % وإن اليورانيوم 235 يشكل حوالي 0.7 % من اليورانيوم المتبقي والذي وجد طبيعياً بينما اليورانيوم 234 نادر جداً وقد تشكل عن طريق انحلال يورانيوم 238 (مر اليورانيوم 238 بمراحل عديدة أو اضمحلال ألفا وبيتا لتشكل نظائر مشعة مستقرة وإن اليورانيوم 234 هو وصلة في هذه السلسلة) وإن لدى يورانيوم 235 قدرة مثيرة تجعلها مفيدة في إنتاج الطاقة النووية وفي إنتاج القنبلة النووية وإن اليورانيوم 235 ينحل طبيعياً مثل يورانيوم 238عن طريق إشعاع ألفا ويمر يورانيوم 235 أيضاً بالانقسام التلقائي في نسبة مئوية صغيرة من الزمن.
على أي حال فإن يورانيوم 235 أحد بعض المواد التي يمكن أن تمر بالانقسام المستحث، إذا قام نيوتروناً بالمرور عبر نواة اليورانيوم 235 ستقوم النواة بامتصاص النيوترون بدون تردد وسيصبح غير مستقر ومنقسم فوراً.
الانقســــــــــام النــــــــــــووي
عندما تؤسر نواة النيوترون تنقسم إلى ذرتين خفيفتين وتقذفان اثنان أو ثلاثة من النيوترونات الجديدة (يعتمد عدد النيوترونات المقذوفة على طريقة انقسام ذرة اليورانيوم 235) تقوم بعد ذلك الذرتين الجديدتين ببعث إشعاع غاما عندما تستقران في وضعياتهما الجديدة.
هناك ثلاثة أمور حول عملية الانقسام المستحثة هذه والتي تجعلها هامة بشكل خاص:
ـ إن احتمال أسر اليورانيوم 235 النيوترون أثناء مروره عالي جداً وإن المفاعل الذي يعمل بشكل صحيح ( المعروف بالحالة الحرجة) يقذف نيوترون واحد من كل انقسام وبالتالي يتشكل انقسام آخر.
ـ إن عملية أسر النيوترون والانقسام يحدثان بسرعة كبيرة (1 × 10 – 12 ثانية).
ـ تصدر كمية هائلة من الطاقة على شكل حرارة وإشعاع غاما عند انقسام ذرة وحيدة وإن الذرتان اللتان تصدران عن الانقسام تصدران إشعاع بيتا وتملكان إشعاع غاما أيضاً.
الطاقة التي تصدر عن الانقسام الوحيد يأتي في الحقيقة من الانقسام ومن النيوترونات سوياً وهي تزن أقل من ذرة اليورانيوم 235 الأصلي والاختلاف في الوزن حول مباشرة إلى طاقة وهو يصدر شيء على غرار 7200 Me (مليون فولط الكتروني) وذلك عن طريق اضمحلال ذرة يورانيوم 235 واحدة وهناك الكثير من ذرات اليورانيوم في باون اليورانيوم.
إن باون اليورانيوم المخصب جداً يستعمل لتشغيل غواصة نووية أو حاملة طائرات نووية في كمية مساوية لغالون من الغازولين وإن حجم باون اليورانيوم أصغر من كرة بيسبول وحجم مليون غاز من الغازولين يملأ مكعب يبلغ حجمه 5 أقدام لكل جانب (أي بطول بناية ذات خمسة طوابق) وهنا يمكن أن يكون لديك فكرة عن كمية الطاقة المتوفرة في القليل فقط من يورانيوم 235 ولكي تعمل خواص اليورانيوم 235 هذه يجب أن تخصب عينة من اليورانيوم تحتوي 2 % إلى 3 % أو أكثر من يورانيوم 235 وإن تخصيب 3 % كافي لاستخدامه في مفاعل نووي مدني يستخدم لتوليد الطاقة ويجب أن يكون اليورانيوم المستخدم في الأسلحة بنسبة 90 % أو أكثر من يورانيوم 235.
أنابيب نقل البخار لتزويد المولد بالطاقة في محطة توليد الطاقة
إن وعاء المفاعل الضاغط موضوع في بطانة إسمنتية التي تعمل كوقاية إشعاعية وإن هذه البطانة موضوعة داخل وعاء احتواء كبير جداً ويحتوي هذا الوعاء على قلب المفاعل وعلى أجهزة مثل الرافعات …الخ التي تسمح للعمال في المحطة بتزويد الوقود وإبقاء عمل المفاعل وقد وضع وعاء الاحتواء الفولاذي هذا لمنع تسرب أي غازات أو سوائل مشعة من المحطة وأخيراً إن وعاء الاحتواء محمي ببناء إسمنتي خارجي قوي بما فيه الكفاية ليحميه من بعض الأشياء كتحطم طائرة نفاثة فيه، وإن أبنية الاحتواء الثانوية هذه ضرورية لمنع هروب إشعاع بخار مشع في حال وقوع حادث وإن عدم وجود أبنية الاحتواء الثانوية هذه في محطات الطاقة النووية الروسية سمحت للمواد المشعة بالهروب في حادث تشرنوبيل.
يتصاعد الدخان من برج التبريد في محطة هاريس
عمال المراقبة في غرفة التحكم في محطة الطاقة النووية
يعملون على مراقبة عمل المفاعل النووي
إن يورانيوم 235 ليس الوقود الوحيد الممكن استخدامه في محطة الطاقة، هناك مادة انقسامية أخرى هي بلوتونيوم 239 التي يمكن أن تنشأ بسهولة عن طريق دمج يورانيوم 238 بنيوترون الشيء الذي يحدث دائماً في المفاعل النووي.
عندما تنقسم ذرة يورانيوم 235 تعطي نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات (اعتماداً على طريقة الانقسام) وإذا لم يكن هناك ذرات يورانيوم 235 في المنطقة فستقوم النيوترونات الحرة بالطيران إلى الفراغ كأشعة نيوترون وإذا كانت ذرة اليورانيوم 235 جزء من كتلة اليورانيوم فسيكون هناك ذرات يورانيوم 235 أخرى قريبة عندها سيحدث أحد هذه الأمور الثلاثة:
ـ إذا قام نيوترون واحد فقط من النيوترونات الثلاثة من كل انقسام بضرب قلب اليورانيوم 235 وتسبب ذلك بالانقسام عندها ستكون كتلة اليورانيوم في حالة حرجة وستوجد الكتلة في درجة حرارة مستقرة ويجب أن يبقى المفاعل النووي في حالة حرجة.
ـ إذا قام أقل من نيوترون واحد من النيوترونات الحرة بضرب ذرة يورانيوم 235 عندها ستكون الكتلة في حالة حرجة فرعية وسينتهي الانقسام في الكتلة.
ـ إذا قام أكثر من نيوترون واحد من النيوترونات الحرة بضرب ذرة يورانيوم 235 ستكون الكتلة حينها في حالة حرجة قصوى وستقوم بالتسخين.
أراد مصمم القنبلة النووية من القنبلة أن تكون في حالة حرجة قصوى لذلك إن كل ذرات اليورانيوم 235 في الكتلة تنقسم في مايكرو ثانية (جزء من مليون من الثانية).
يحتاج قلب المفاعل النووي في المفاعل النووي لأن يكون في حالة حرجة قصوى بعض الشيء لكي يستطيع العاملين في المحطة من رفع وخفض درجة حرارة المفاعل النووي وتعطي أذرع التحكم العاملون طريقة لامتصاص النيوترونات الحرة وبهذا يمكن للمفاعل أن يبقى في مستوى حرج.
إن كمية اليورانيوم 235 في الكتلة (مستوى الإخصاب الإغناء) وشكل الكتلة يسيطران على الحالة الحرجة في العينة، تخيل بأن شكل الكتلة صفيحة رقيقة جداً ستقوم حينها معظم النيوترونات الحرة بالطيران إلى الفراغ بدلاً من ضرب ذرات اليورانيوم 235 لذلك فإن الجسم الكروي هو الشكل المثالي للكتلة وإن كمية اليورانيوم 235 التي يجب جمعها سوياً في الجسم الكروي للحصول على ردة فعل حرجة هي حوالي 2 باون (0.9 كيلوغرام) وهذه الكمية تدعى باسم الكتلة الحرجة وإن الكتلة الحرجة للبلوتونيوم 239 هي حوالي 10 أونسات (283 غرام).
ما الذي يمكن أن يسير بشكل غير صحيح
إن محطات الطاقة النووية المبنية بشكل جيد لديها فائدة كبيرة عندما يتعلق الأمر بتوليد الطاقة الكهربائية وهي نظيفة جداً بالمقارنة مع محطات توليد الطاقة عن طريق الفحم المشتعل وإن محطات الطاقة النووية عبارة عن حلم أصبح حقيقة من الجهة البيئية وإن محطة توليد الطاقة بالفحم المشتعل يصدر نشاط إشعاعي إلى الجو أكثر من محطة طاقة نووية تعمل بشكل جيد وإن محطات الفحم المشتعل تطلق الأطنان من الكربونات والكبريت وعناصر أخرى في الجو.
قال لويس بالمر المصمم السويسري، لاول سيارة تعمل بالطاقة الشمسية في العالم , ان يتم انتاج سيارات صديقة للبيئة تعمل علي اشعة الشمس وباسعار لاتتجاوز الستة الاف يورو .
وقال في مؤتمر صحافي عقده في فندق هيلتون ابوظبي امس انه يحمل رسالة الي دول العالم التي يزورها بسيارته التي تعمل بالطاقة الشمسية مفادها / حول العالم بقوة الشمس فقد حان وقت التغيير لبيئة أنظف.
وابدي ارتياحه لوصوله الي ابوظبي ضمن جولته العالمية التي بدأها من مدينة لوزان في الثالث من يوليو 2022، والتي ستستمر 16 شهرا يطوف خلالها خمس قارات زائرا 50 دولة و400 مدينة، منها مدن في دول خليجية ومغاربية عربية، مبشرا بطريقة عملية وبمثال حي بأن بالإمكان إحداث تغيير من أجل الحد من الآثار الضارة للانبعاث الحراري، وغاز ثاني أكسيد الكربون.
واوضح ان سيارته الشمسية،التي صممها بنفسه والتي يطلق عليها اسم التاكسي الشمسي (سولار تاكسي) ذات مقعدين تستمد دفعها من الطاقة الشمسية من مسطح مقطور خلفها. ودينمو العربة، أو قلبها، يتكون من بطارية /زبرا/ مما يسمح بقيادتها حتى في الظلام. ويمكن أن تصل سرعتها إلى 90 كيلومترا في الساعة. ويعود إنتاجها إلى تعاون مشترك بين شركات وجامعات سويسرية، بالإضافة لوحدة أبحاث طاقة شمسية ألمانية.
واوضح بالمر أن سيارته تعتبر انطلاقة قوية عملية للبدء في التغيير الضروري للقضاء على آثار التلوث الذي تبعثه السيارات، مشيرا إلى أن هذه السيارة بأكملها يمكن إعادة تدويرها، وأنها لا تحتوي على أي مواد سامة، كما لا تنفث أي غازات أو أصوات، أي أنها لا تشارك في تلوث البيئة بأي نوع من أنواع التلوث .
وقال انه لم يواجه اية عقبات حتي الان في جولته التي مر خلالها بألمانيا وجمهورية التشيك والنمسا وسلوفاكيا وهنغاريا ورومانيا وصربيا وبلغاريا وتركيا وسورية و الأردن والسعودية والإمارات ويعتزم القيام بزيارة الي الهند بعد ابوظبي مرورا بعدد من الدول الاسيوية انتهاء باليابان .
ويدعم بالمر في رحلته الشؤون الخارجية السويسرية وبرنامج الأمم المتحدة للعناية بالبيئة ووزارة البيئة .
وأشار إلى أن كلفة صناعة السيارة الشمسية في الصين لا تزيد على ستة آلاف يورو، وهو رقم توقع بالمر أن يتناقص كثيرا، في حال اعتمدت السيارة كخيار جماهيري وانتشرت فكرتها.
منقووول