قام أستاذ مساعد من جامعة كاليفورنيا بالجمع بين التركيب الضوئي والفيزياء للوصول إلى اكتشاف رئيسي يمكن أن يساعد في جعل الخلايا الشمسية أكثر كفاءةً. وقد نُشرت هذه النتائج مؤخرا في « مجلة رسائل النانو – Nano Letters».
ويركز « ناثان غابور – Nathan Gabor» على فيزياء المادة المكثفة التجريبية، مع استخدام الضوء لتحقيق القوانين الأساسية لميكانيكا الكم. ولكنه مال للاهتمام بعملية التركيب الضوئي عند بدر إلى ذهنه سؤال في عام 2010: “لماذا النباتات خضراء؟” وسرعان ما اكتشف أن لا أحد حقًّا يعرف ذلك.
خلال السنوات الست الماضية، سعى للمساعدة في تغيير ذلك من خلال الجمع بين خلفيته في الفيزياء والغوص عميقا في علم الأحياء. وقد انطلق من إعادة التفكير في تحويل الطاقة الشمسية عن طريق طرح السؤال التالي: هل يمكننا أن نجعل للخلايا الشمسية مواد تمتص بكفاءة أكبر الكمية المتذبذبة للطاقة الشمسية؟
“في الحقيقة، لقد تطورت النباتات في القيام بذلك، ولكن الخلايا الشمسية ميسورة التكلفة حاليا – والفعالة في أحسن حالاتها بنسبة 20 في المائة – لا تتحكم في التغييرات المفاجئة للطاقة الشمسية”، يقول غابور؛ “ويترتب عن هذا الكثير من الطاقة الضائعة ويساعد على منع اعتماد الخلايا الشمسية على نطاق واسع كمصدر للطاقة”.
تناول غابور، وعدد من علماء الفيزياء في « ريفرسايد، جامعة كاليفورنيا – Riverside, University of California »، المشكلة من خلال تصميم نوع جديد من الخلايا الضوئية ذات محرك حرارة كمي، ما يساعد على التعامل مع تدفق الطاقة في الخلايا الشمسية، ويتضمن تصميم خلية ضوئية بمحرك حرارة الذي يمتص الفوتونات من الشمس ويحول طاقة الفوتون إلى طاقة كهربائية.
المثير للدهشة أن الباحثين وجدوا أن الخلية الضوئية ذات محرك الحرارة الكمي يمكنها أن تنظم تحويل الطاقة الشمسية دون الحاجة إلى ردود فعل نشطة أو آليات التحكم المتكيفة. ففي التكنولوجيا الكهروضوئية التقليدية، والتي تستخدم على أسطح المنازل والمزارع الشمسية اليوم، لابد من قمع التذبذبات في الطاقة الشمسية بواسطة محولات فولطية وضوابط ردود الفعل، والتي تقلل بشكل كبير من الكفاءة العامة.
يستخدم مختبر ناثان غابور لمواد الكم والكهروبصريات تقنيات التحليل الطيفي بليزر الأشعة تحت الحمراء لاستكشاف التنظيم الطبيعي داخل الخلايا الضوئية الكمية التي تتألف من أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد. وكان هدف فرق البحث في جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد هو تصميم أبسط خلية ضوئية التي تحاول قدر الإمكان أن تطابق كمية الطاقة الشمسية الواردة من الشمس مع متوسط طاقة الطلب وقمع تذبذبات الطاقة لتجنب تراكم الطاقة الزائدة.
وقد قارن الباحثون اثنين من أبسط نظم الخلايا الضوئية الكمية الميكانيكية: الأول امتصت فيه الخلية الضوئية لون واحد فقط من ضوء، والآخر امتصت فيه لونين. حيث وجدوا أنه، وببساطة عن طريق دمج اثنين من قنوات امتصاص الفوتونات، بدلا من واحدة فقط، يظهر تنظيم تدفق الطاقة بشكل طبيعي داخل الخلية الضوئية.
يتمثل المبدأ الأساسي في أن قناة واحدة تمتص عند طول موجي محدد، متوسط الطاقة الداخلة الموافقة له يكون مرتفعا، في حين تمتص الأخرى عند طاقة منخفضة. الخلية الضوئية تنتقل بين الطاقة العالية والمنخفضة لتحويل المستويات المتغيرة للطاقة الشمسية إلى إنتاج ثابت.
عندما طبق فريق غابور هذه النماذج البسيطة على الطيف الشمسي المقاس على سطح الأرض، اكتشفوا أن امتصاص الضوء الأخضر، الجزء الأكثر إشعاعا من طيف الطاقة الشمسية في وحدة الطول الموجي، لا يقدم أي فائدة تنظيمية، وبالتالي يجب تجنبه. لقد قاموا بتحسين ضوابط الخلية الضوئية منهجيا للحد من تذبذبات الطاقة الشمسية، ووجدوا أن طيف الامتصاص يبدو مطابقًا، تقريبا، لطيف الامتصاص الذي لوحظ في النباتات الخضراء التي تقوم بعملية التركيب الضوئي.
كما قادت النتائج التي توصل إليها الباحثون إلى اقتراح أن التنظيم الطبيعي للطاقة الذي وُجد في الخلية الضوئية ذات محرك الحرارة الكمي، قد يلعب دورً+ا حاسمًا في عملية التركيب الضوئي في النباتات، وربما يفسر هيمنة النباتات الخضراء على الأرض.
ووجد باحثون آخرون مؤخرا، أن العديد من البنيات الجزيئية في النباتات، بما في ذلك الكلوروفيل والجزيئات باء، يمكن أن تكون حاسمة في منع تراكم الطاقة الزائدة في النباتات، والتي يمكن أن تقضي عليهم.
كما اتضح للباحثين في جامعة كاليفورنيا أن البنية الجزيئية للخلية الضوئية ذات محرك الحرارة الذي قاموا بدراساته، مشابهة جدا لبنية الجزيئات المركبة للضوء التي تضم زوجا من الكلوروفيل.
تعتبر الفرضية التي وضعها غابور وفريقه، الأولى من نوعها التي تربط البنية الميكانيكية الكمية بيخضور النباتات، وتوفر مجموعة واضحة من الاختبارات للباحثين الهادفين إلى التحقق من التنظيم الطبيعي. وبنفس القدر من الأهمية، يسهل تصميمهم التنظيم دون إضافة مدخلات نشطة، وهي عملية أصبحت ممكنة بفضل البنية الميكانيكية الكمية للخلية الضوئية.
عنوان ورقة البحث هذه :”التنظيم الطبيعي لتدفق الطاقة في خلية ضوئية كمية خضراء.”
المصدر: هنا
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
تدقيق لغويّ: Amira Bousdjira
