سبعة حلول
سبعة حلول
جذرية للطاقة(*)
قد يكون معدل فشل هذه الحلول المثيرة 90 في المئة،
ولكن إذا نجح أي منها فسيكون بمقدوره تحسين
كفاءة الطاقة وأمانها بشكل كبير.
محررو ساينتفيك أمريكان
| باختصار
يحاول العلماء والمهندسون تطوير تقانات معروفة منذ أمد بعيد يمكن لها أن تغير لعبة الطاقة بشكل جذري. فمن الممكن إيجاد مصادر جديدة للطاقة من خلال توفير الطاقة للمفاعلات الانشطارية التي تستخدم الوقود الذري المنضّب الذي هو نفاية خطرة، وثمة آلات أخرى يمكنها تحويل ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون إلى وقود يحل محل البنزين. إن إحداث زيادة كبيرة في كفاءة الطاقة قد يتحقق بفعل مغنطيسات تحدِث ثورة في المكيفات، ومن خلال سبائك تستذكر الشكل وقادرة على تحسين استخدام الوقود في السيارات. |
يسعى كثيرٌ من الناس إلى تسخير مصادر الطاقة المتجددة بفعالية أعلى، وكذلك إلى تحسين كفاءتها، وعلى العموم هذا مسعى حميد. ولربما أفضت معظم الجهود في هذا الشأن إلى تحسينات هي موضع ترحيب وإن كانت صغيرة، إلا أن الحاجة تدعو إلى ابتكارات جذريّة لإحداث تغيير كبير في قواعد لعبة الطاقة.
فعلى مدى سنوات، قام علماء ومهندسون، بالترويج لبعض المشاريع المثيرة التي اشتملت على: أقمار صنعية توجّه الطاقة الشمسيّة إلى لاقطات (مستقبلات) على الأرض، وآلات رياح تحوم في الغلاف الجوي وتقوم بتوليد الكهرباء. إلا أنه على أرض الواقع تلقى الباحثون مؤخرا دعما حكوميّا كبيرا أو تمويلا خاصّا لدراسة مجموعة متميِّزة من تقانات معروفة منذ أمد طويل في بضعة مجالات أساسية. ونستعرض فيما يلي مشاريع تقدم أمثلة ريادية ذات مردود محتمل وقابلة للتحقيق، فيما لو تمكن المخترعون من تخطي العوائق الهائلة، وإبداع تقنيّات عمليّة قابلة للإنتاج الكمّيّ وسهلة التمويل.
| هل هنالك احتمال للنجاح؟
يتناول محررونا ومستشارونا في الصفحات التالية هذه التقانات عبر منهجين:
|
 |
|
لقد كدح الفيزيائيون والمهندسون عقودا من الزمن لتسخير الاندماج النووي، الذي يماثل العملية التي تتوقد في القنبلة الهدروجينية وكذلك في الشمس. فيستطيع الباحثون أن ينتجوا تفاعلات الاندماج بسهولة من خلال قذف نوى الهدروجين بعضها ببعض بعنف يكفي لاندماجها وانطلاق نيوترونات وطاقة. إن الجزء الصعب هو عمل ذلك بكفاءة بحيث تُحرِّر التفاعلات طاقة أكبر مما تم استخدامها لبدء تلك التفاعلات، وهذه الحالة تسمى الاِشْتِعَال إذ تؤدي في نهاية المطاف إلى توليد الكهرباء.
لقد توصل العلماء في وحدة الاِشْتِعَال الوطنية في ليڤرمور بكاليفورنيا إلى وسيلة جديدة هي استخدام الاندماج لتحفيز الانشطار، وهو الانقسام الذري الذي يشغّل المفاعلات النووية التقليديّة. ويزعم المدير <E. موزز> أنّ هذه العملية يمكنها أن تُفضي إلى النموذج الأوليّ prototype لمحطات الطاقة في السنوات العشرين القادمة.
تنتج نبضات الليزر – في محطة ليڤرمور – انفجارات الاندماج في مركز حجرة المفاعل، مصدرة بذلك نيوترونات تقوم بشطر الذرات في طبقة اليورانيوم السميكة أو في أي وقود آخر يبطن جدران الحجرة. ويمكن للطاقة المتأتيّة من هذه الذرات المنشطرة أن تضاعف ناتج طاقة الحجرة إلى أربعة أمثاله أو أكثر. ويعود مبدأ الاندماج المحفّز للانشطار للأغراض السلميّة إلى «أبي» القنبلة الهدروجينيّة السوڤيتية <A. زاخارزڤ>الذي أطلق هذه الفكرة في خمسينات القرن الماضي.
إن كانت معظم الطاقة تأتي من الانشطار النووي، فلمَ لا نستمر مع مفاعلات الطاقة النووّية التقليديّة ونتجنب مشقة تطوير مقداح الاندماج؟ يعتمد مفاعل الانشطار على التفاعل المتسلسل الذي تقوم فيه نيوترونات متأتيّة من الذرات المنشطرة بتحفيز ذرات أكثر كي تنشطر، ويتطلب استمرار التفاعل المتسلسل وقودا من الپلوتونيوم أو اليورانيوم المخصّب، وكلاهما يمكن استخدامه كذلك في الأسلحة النووية.
 |
| اندماج ذرات منشطرة |
في محطة الاندماج – الانشطار المهجنة تتولى النيترونات الناتجة من انفجارات الاندماج تحفيز عملية الانشطار فتنتفي بذلك الحاجة إلى استمرار التفاعل المتسلسل. وهذا الإجراء يوسّع قائمة الوقود المحتمل، لتضمّ اليورانيوم غير المخصّب، واليورانيوم المنضَّب (الناتج من نفايات وفيرة متأتيّة من تخصيب اليورانيوم)، أو حتى الوقود المستنزف الناتج من مفاعلات نووية أخرى، وهي نفايات ينبغي – بدلا من ذلك – أن تُخزّن لمئات الآلاف من السنين، أو يتعيَّن إخضاعُها لإعادة معالجة معقّدة وخطيرة لاستخدامها مرة أخرى في محطة الانشطار.
ثمَّة فائدةٌ أخرى هي كميّة احتراق الوقود. فالمفاعل التقليدي يَشطر نسبة ضئيلة فقط من ذرّات وقوده القابلة للانشطار قبل وجوب تغيير الوقود. ويقول <موزز> إن محطات الاندماج – الانشطار يمكنها أن تصل إلى حرق ما نسبته 90%، ولعلها لهذا السبب لا تحتاج إلا إلى جزء واحد من الوقود من أصل 20 جزءا يحتاج إليها مفاعل الانشطار التقليدي. لذا فإنّ طور «الحرق» – خلال العقد الأخير من عمر المفاعل البالغ 50 سنة تقريبا – سيخفّض مقدارَ النفايات المديدة العمر من 2500 كيلوغرام إلى 100 كيلوغرام تقريبا، وذلك على الرغم من تراجع مقدار توليد الطاقة خلال هذه السنوات.
كذلك فإن الباحثين يعكفون على دراسة مقترحات الاندماج – الانشطار القائمة على الاندماج المغنطيسي، وهو المنافس للاندماج الليزري، الذي يَحْصر تفاعل الاندماج ضمن حقول مغنطيسية قوية. في عام 2009 اقترح علماء في جامعة تكساس بمدينة أوستن مفاعلا هجينا مع مقداح اندماج مغنطيسي. ويقوم باحثون من الصين بتقييم تصاميم معدّة لتحسين إنتاج الطاقة ولتهجين وقود المفاعل التقليديّ ولحرق النفايات النوويّة.
إن طاقة الاندماج على مختلف أنواعها هي مقترح جذري. وهناك عقبات تقنية رئيسة قبل أن تصبح محطّة الطاقة واقعا ملموسا، حتى ولو قدّم مختبر <موزز> مشعِّلا هذا العام. فيتعين إنتاجٌ متقن لكميات كبيرة (وبسعر رخيص) من دريئات الاندماج البالغة الصغر والمصمّمة بإتقان. وينبغي تكرار حدوث الاشتعال 10 مرات في الثانية، وهذا يتطلب مَنْظُومَة من تقانة غير مُثبَتة (إذ إن مختبر الاِشْتِعَال الوطني تمكن في أحسن الأحوال من الوصول إلى بضع طلقات فقط على الدريئة في اليوم).
 |
إن التصدي لإنتاج الهجين يتطلب أيضا تقانات لا يحتاج إليها الاندماج الخالص – وخصوصا طبقة الانشطار، بما في ذلك وقود الانشطار الذي يمكنه تحمّل وابل من الحرارة والنيوترونات أكبر بكثير من ذاك المعهود في المفاعل التقليديّ. وتتراوح المقترحات من كريَات صلبة متعددة الطبقات إلى سوائل مكوّنة من يورانيوم أو ثوريوم أو پلوتونيوم مُذابة في أملاح مُسَيَّلة.
|
إن التحديّات هائلة، فقد وضع <موزز> خطة أولية طموحة لتجاوزها، إلا أنه لابد في المقام الأول أن يبرهن المختبر على قدرة الاندماج الليزري على تحقيق الاشتعال على أرض الواقع.<P .G. كولينز>
تغمر الشمسُ الأرضَ – خلال ساعة واحدة – بطاقة أكبر مما تستخدمه الحضارة البشرية خلال سنة كاملة. فإذا استطاع العلماء تحويل – ولو جزء من هذا الفائض – إلى وقود سائل لأمكن أن ينتهي إدماننا على الوقود الأحفوري لأغراض النقل، وقد ينتهي ما تخلقه من مشكلات. وقد صرّح<N. لويس> [مدير المركز المشترك للبناء الضوئي الصناعي في معهد كاليفورنيا للتقانة] بأنّ «الوقود الكيميائي سيكون الأمر الذي سيغيّر قواعد اللعبة إن استطعنا أن نصنّعه مباشرة من أشعة الشمس بكفاءة وبشكل رخيص».
وفي محاولة مثيرة للاهتمام في مختبرات سانديا الوطنيّة يُستخدَم طبقٌ من المرايا قطرُه ستة أمتار في صحراء نيومكسيكو، ويركز الطبق أشعّة الشمس على آلة أسطوانيّة طولُها نصف متر على شكل برميل بيرة مركّب أمامه. وتوجِّه المرايا أشعّة الشمس إلى بؤرة عبر نافذة في جدار الآلة على اثنتي عشرة حلقة متحدة المركز تدور مرّة واحدة في الدقيقة. وتحيط بالحلقات أسنانٌ من أكسيد الحديد (الصدأ) أو أكسيد السيريوم، وتدور عبر حزمة الأشعة فتسخن إلى 1500 درجة مئوية، فتنزع هذه الحرارة الأكسجين من الصدأ. وتقوم الأسنان – من خلال دورانها أثناء عودتها إلى المبرّد – وهو الجانب القاتم من المفاعل – بامتصاص الأكسجين واسترجاعه من البخار أو من ثاني أكسيد الكربون الذي أُدخِل سابقا إلى الحجرة، مخلّفة وراءها الهدروجين أو أول أكسيد الكربون الغنيين بالطاقة.
 |
| طبخ الحديد كوقود |
ومزيج الهدروجين وأول أكسيد الكربون الناتج يسمى الغاز الصناعي(1)«syngas»، وهو اللبنة الجزيئية الأساسية للوقود الأحفوري وللمواد الكيميائية وحتى البلاستيكية. ويمكن لهذه العملية أن تمتص أيضا ثاني أكسيد الكربون بقدر المنبعث عند حرق هذا الوقود. إن نظاما من الوقود الشمسي كهذا – كما يقول <A. ماجومدار> [مدير وكالة مشاريع البحث المتقدّم حول الطاقة] – «يشبه اصطياد أربعة طيور بحجر واحد»: توفير وقود نظيف وتأمين كميات أكبر من الطاقة وانخفاض في ثاني أكسيد الكربون وتغيّر مناخي أقل.
ويطوّر الباحثون في أمكنة أخرى – تضم المعهد الاتحادي السويسري للتقانة في زيوريخ وجامعة مينيسوتا – آلة لإنتاج الغاز الصناعي. وبعض الشركات الناشئة تتبع مسارات أخرى. فشركة صن كاتاليتيكس في كامبردج بماساشوستس، تقوم من خلال غمر مُحفز رخيص للتفاعل في الماء، بإنتاج الأكسجين والهدروجين باستخدام الكهرباء المستمدة من الألواح الشمسية. أما شركة ليكويد لايت في نيوجيرسي فتضخ فقاعات من ثاني أكسيد الكربون في خلية كهركيميائية لتحوّله إلى ميثانول. كما أن <لويس> نفسه يبني أوراقا صنعية من أسلاك نانويّة شبه موصلة (ناقلة) semiconducting تمتص أشعة الشمس فتشطر الماء إلى هدروجين وأكسجين.
وبالطبع فإنّ العائق الرئيس الذي ينبغي التغلب عليه هو تخطي المشكلات التطبيقيّة. ففي مختبرات سانديا مازالت أسنان أكسيد الحديد تتكسّر فتعيق التفاعل، «فتدوير الأسنان جيئة وذهابا بين 1500 و900 درجة مئوية يشكل عبئا كبيرا على المادة»، كما يشير إلى ذلك الكيميائي غير المشارك في العمل <G.ديركس> [مدير لايت ووركس في جامعة ولاية أريزونا]. إن الخطوة التالية هي جعل بنية الصدأ أكثر صلابة على مقياس نانويّ، أو حتى التوصل إلى مواد أفضل للأسنان. كما ينبغي أيضا خفض التكلفة العالية للمرايا. إذ يقترح الباحثون في سانديا إمكانية إنتاج وقود بتكلفة 10 دولارات للگالون (2.65 دولار لكل لتر) بواسطة آلتهم لإنتاج الغاز الصناعي، لكن المهندس الكيميائي والمخترع المشارك <G .E. ميلّر>، يقول: «لم نبرهن لأنفسنا على عدم قدرتنا على القيام بذلك، ولكننا كذلك ما زلنا بعيدين أشواطا عن تحقيق ذلك».<D. بيلّو>
|
حاليا تُحوِّل الخلايا الشمسية التجاريّة ما نسبته 10 إلى15% فقط من الضوء الذي تستقبله إلى تيّار كهربائي، منتجة بذلك كهرباء مرتفعة الثمن. وأحد أسباب ذلك هو أن طبقة واحدة من السيليكون الممتص للضوء كفاءتها النظرية محدودة تقارب 31% (تصل في أفضل الخلايا المختبرية إلى 26%). ويمكن أن تحسّن الأبحاث الجديدة حول بلورات أشباه الموصلات (النواقل)، أو بقع الكمّ، الحد الأقصى النظري إلى نحو 60%، مفسحة الطريق أمام منتجات يمكنها توليد الكهرباء بأسعار تنافسية.
في الخلية التقليدية ترتطم الفوتونات المنبعثة بالإلكترونات فتحرّرها من السيليكون وتفسح لها المجال للانسياب بحريّة إلى السلك الموصل فتنتج تيارا. ولكن العديد من فوتونات الشمس ذات طاقة كبيرة جدا، وعندما تضرب السيليكون تحرر «إلكترونات ساخنة» سرعان ما تفقد طاقتها على شكل حرارة لتعود إلى حالتها الأولى قبل اصطيادها في السلك الموصل، إلا أن الكفاءة القصوى يمكن أن تتضاعف إن أمكن احتجاز الإلكترونات الساخنة قبل أن تبرد.
إن أحد الحلول لذلك هو العمل على إبطاء سرعة تبريد الإلكترونات وإتاحة زمن كاف لاصطيادها. في عام 2010 تحوّل الكيميائي <X. زو> مع زملائه [من جامعة تكساس بأوستن] إلى بقع الكمّ التي يتكوّن كل منها من بضعة آلاف من الذرّات. فأدخل <زو> بقعا من سيلينيد الرصاص إلى الطبقة الموصلة المؤلفة من ثاني أكسيد التيتانيوم وهي مادة شائعة، وعندما سلّط الضوء عليها استغرقت الإلكترونات الساخنة زمنا أطول بألف مــرّة حتـى فقـــدت حـرارتهـــا. ويقــول <P. كامات> [من جامعة نوتردام] وهو غير مشارك في البحث: إن <زو> «برهن فعلا على أن هذه الفكرة ممكنة».
غير أن إبطاء الإلكترونات ما هو إلا جزء من الهدف، إذ يبحث <زو> الآن عن طريقة لمساعدة الموصل على تحويل أكبر عدد ممكن من الإلكترونات الساخنة إلى تيار حتى لا يمتصّها الموصل نفسه كحرارة أيضا.
ويحول العديد من العوائق دون الوصول إلى خلية شمسيّة فاعلة. «فنحن بحاجة إلى توطيد الجوانب الفيزيائية» – كما يقول <زو>: كيفية تبرد الإلكترونات الساخنة وكيفية انتقالها إلى الموصلات جميعها، «وحالما نفهم جميع ذلك يمكننا أن نحدد أفضل المواد التي يتعين استخدامها»، ذلك أن العمل – كما يتنبأ <زو> – «سيستغرق فترة من الزمن، ولكنني متأكدٌ من أننا سننجزه، إذ أُريد أن أرى هذه الخلايا الشمسيّة على سطح بيتي.» وقد يكون العائد التجاري هائلا.<JR. مينكل>
 |
|
إن نحو 60% من الطاقة المُنتَجة في الولايات المتحدة مهدورةٌ، تضيع غالبيتها كحرارة من ملايين السيارات ومحطات توليد الطّاقة. ويحاول العلماء في شركة جنرال موتورز في وارن بمتشيگان أسر هذه الطاقة المبدّدة من خلال استخدام مواد غريبة تُدعى سبائك تستذكر الشكل shape-memory alloysويمكنها تحويل الحرارة إلى طاقة ميكانيكيّة تولّد بدورها الكهرباء. إن الهدف الأول لرئيس الفريق <A. براون>، هو إعادة تدوير الحرارة في نظام عادم السيارة لتشغيل المكيّف أو المذياع من دون حاجة إلى قيام المحرّك بذلك.
ويخطط <براون> لجني الحرارة بواسطة حزام مصنوع من عصائب رقيقة متوازية من سبيكة النيكل-التيتانيوم والتي «تستذكر» شكلا معينا. تنقلب كلّ السبائك التي تستذكر الشكل جيئة وذهابا بين وضعين، هما في هذه الحالة: «وضعية بداية» جامدة في درجات الحرارة الأعلى، ووضعية أكثر مرونة في درجات الحرارة الأدنى. يُبسط الحزام – في تصميم جنرال موتورز – فوق ثلاث بكرات تشكّل زوايا مثلث. وتقع إحدى زوايا الحزام بالقرب من نظام العادم الساخن، وزاويته الأخرى بعيدة حيث يكون المحيط أبرد. وبسبب الانكماش عند زاوية درجة الحرارة العالية والتمدّد لدى الزاوية الأبرد يجذب الحزام نفسه حول الحلقة متسبّبا في دوران البكرات بسرعة. ويمكن للبكرات أن تدير عمودا يحرك مولدا، حيث تتزايد سرعة دوران الحلقة وتتولد طاقة أكبر مع تعاظم الفارق الحراري.
لقد قدّم نموذج شركة جنرال موتورز الأولي دليلا على مبدأ أكثر من جهاز فعلي. إذ تولد جديلة صغيرة وزنها 10 غرامات طاقة متواضعة تبلغ 2 واط تكفي لتغذية مصباح ليليّ. ويزعم <براون> أن هذه التقانة يمكن أن ترتقي لتصل إلى الأسواق خلال عقد من السنين، إذا لم تعق أي مشكلة تقانية طرح محركات حرارية ذات سبائك تستذكر الشكل لتشغيل الأجهزة المنزلية أو أبراج تبريد محطات توليد الطاقة. وتفتح السبائك عالما من التطبيقات – كان فيما مضى يعتبر غير قابل للتطبيق – نظرا لقدرة السبائك على العمل تحت فروق حرارية متدنية تقارب 10 درجات مئوية، كما يقول <G. ماكنايت> [عالم المواد المشارك في مختبرات HRL].
 |
| سبائك (خلائط) تنزع الحرارة |
إن تصميم جنرال موتورز بسيط إلا أنه مازال بعيد المنال، فالسبائك التي تستذكر الشكل تعاني الإجهاد فتغدو هشّة. فثمة حاجة إلى ثلاثة أشهر من المعالجة المستمرة لتضمين الحالة العادية في ذاكرتها؛ إضافة إلى صعوبة ضم الأسلاك لجعلها حزاما. كما أن تحديد كيفية تسخين وتبريد الحزام باستخدام الهواء يشكل تحديا أيضا. ولا يحدِّد <براون> بدقة كيفية قيام فريقه بالنظر في حل هذه المشكلات باستثناء إشارته إلى أنهم يغيرون أقطار الأسلاك وهندسة الحزام وطرق تسخين الحزام وتبريده – كل متغير «يمكن للعلم وللمرء أن يفكّر فيه.»
ليست جنرال موتورز الوحيدة في البحث في إعادة تدوير الحرارة، إذ يطوّر <S. سينها> [من جامعة إيلينوي] مواد لدنة في حالة صلبة يمكنها تحويل الحرارة إلى كهرباء، وإذا أمكن إدخال محركات حراريّة في بنية المعدّات الرّاهنة والمستقبليّة فالتطبيقات لا نهاية لها: بدءا من آلاف أبراج التبريد ومراجل المصانع إلى ملايين المشعات والثّلاجات والمداخن المنزليّة، إضافة إلى التراكتورات والشاحنات والقطارات والطائرات. إذ يمكن في العالم توليد كوينتليونات (1018) من الجُولات joules، ومن ثم تخفيض استهلاك الوقود الأحفوري بشكل كبير.<P .B. تريڤيدي>
|
ظلت المحرّكات ذات المكبس مدة تزيد على قرن من الزمن وهي تسيِّر جميع السيارات والشاحنات تقريبا. وحتى آليات اليوم المهجّنة، إضافة إلى طيف جديد من السيارات الكهربائية مثل شيڤي ڤلط، تستخدِم محركات صغيرة ذات مكابس لتحسين الطاقة ولإعادة شحن البطاريات بكفاءة أكبر. ولكن جامعة ولاية متشيگان تطوّر اليوم تصميما مختلفا تماما – يُعرَف بمحرّك قرص الموجة أو محرك موجة الصدمة – الذي يستغني عن المكابس. وفي حال نجاح المشروع فإن المحركات المهجّنة المستقبليّة ستقطع بلتر واحد من البنزين مسافات أطول بخمس مرّات.
إن حجم المحرّك المدمج هو بحجم وعاء طهي، ويتطلب تجهيزات أقلّ بكثير من محرّك المكبس كما يقول المخترع المشارك<N. ميلّر> [أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة ولاية متشيگان] إذ لا حاجة إلى المكابس والقضبان وهيكل المحرك. ويمكن للكتلة المختزلة وكفاءة الوقود العالية أن تدفع «سيّارة مهجنة تشحن بمقبس كهرباء مع مكابح ذاتيّة التجدّد إلى مسافة أطول بخمس مرات بالكمية ذاتها من الوقود، ومن ثم تخفيض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون»، على حد قول <ميلّر>. كما يمكن لهذا النظام أن يخفّض تكاليف التصنيع بما يصل إلى 30%.
يختبر الآن <ميلّر> وفريقه على طاولات التجارب بمختبرهم في إيست لانسنگ نموذجا أوليّا لمولد قرص الموجة، وذلك بهدف عرض محرّك يعمل بقدرة 25 كيلوواط (33 حصانا)، إذ يتوقع <ميلّر> أن تكون كفاءة تحويل الطاقة لآلته الأولى نحو30% ، وهي نسبة قريبة من نسبة الـــ 45% لمحرّكات الديزل الرائدة، ولكنّه متفائلٌ بأن التحسينات يمكن أن ترفع الكفاءة إلى 65%.
 |
| احتراق مُدار بالتوربين |
وفي محرّك الاشتعال التقليدي بشرارة، تشعل شمعة الاحتراق مزيجا من البنزين والهواء في الحجرة، محركة مكبسا يقوم بدوره بتدوير عمود مرفق يدير في نهاية المطاف عجلات السيّارة. كذلك يقوم المكبس في محرك الديزل بضغط الوقود والهواء بقوة ويشعله فتتمدّد غازات الاحتراق الناتجة وتحرّك المكبس إلى الخلف مدورة عمود المرفق.
تحدث عملية توليد الطاقة، في تصميم قرص الموجة، ضمن توربين يدور بسرعة. تصوَّروا أن مروحة طاولة موضوعة بشكل أفقي على سطح الطاولة وأن لها شفرات كثيرة منحنية مع إطار يحيط بحافتها الخارجية. يدخل من عمود الدوران المركزي هواء ساخن مضغوط ووقود في الفراغات الكائنة فيما بين الشفرات، وعندما يشتعل المزيج العالي الضغط تتمدّد الغازات في الفراغ المحصور، محدثة موجة الصدمة التي تتسبّب في ضغط الهواء في الفراغ المتبقي. كما تتسبّب الانعكاسات التالية لموجة الصدمة خارج الإطار بضغط أكبر للهواء وبتسخينه، فيتحرّر هذا الهواء في اللحظة المناسبة عبر الإطار. إن قوة الغازات المضغوطة على الشفرات المنحنية، إضافة إلى قوة نفث الغاز المنبثقة تدفع الجزء الدوار إلى الدوران، مسببة بالتالي دوران عمود المرفق.
 |
ووفقا للمخترع المشارك في آلات قرص الموجة -<J. بيشنا> [الأستاذ المشارك بجامعة وارسو التقنية في بولندا] – بدأ المهندسون في عام 19066 بدراسة آلات الموجة الدوّارة. وحاليا تستخدم هذه الآلات العالية الطاقة في بعض السيارات الرياضيّة. ولكن الجزء الصعب هو معرفة كيفية إدارة الانسيابات غير المستقرة للغازات. ويتطلّب التنبؤ بالسلوك غير الخطّي المعقد لهذه الانسيابات المتقطّعة حسابات رقميّة تفصيليّة ظلت – على حد قول <ميلّر> – إلى فترة قريبة تستنفد وقتا طويلا، أو تكون غير دقيقة فيصعب تطبيقها. إن المحاكاة العالية الدقّة التي أُنجِزت في ولاية متشيگان وفي أمكنة أخرى تقود اليوم التشكيل الدقيق لهندسة الشفرات ولانشطار توقيت الاحتراق بأجزاء من الثانية من أجل التوصّل إلى الأداء الأفضل.
ويبقى من غير الواضح ما إذا كان بمقدور نماذج حاسوبية أن تفضي إلى آلات عمليّة على الطرقات. ويقول <D. پاكسون> الذي صمم نماذج الانسياب في مركز گلين لأبحاث ناسا في كليڤلاند: «ما زالت تقانة دوار الموجة wave-rotorتنطوي على بعض الصعوبات في الإنجاز»، ويعلق بشيء من الشكّ الواقعي والإعجاب بأن مشروع ولاية متشيگان «يدفع بلا ريب نحو الأفضل»، ويضيف: «مهما كانت النتائج النهائية، فإنني متأكد من أنهم قد تعلموا الكثير».
ويبدو أنّ <ميلّر> لا يشك كثيرا في أنه إذا تمكن فريقه من بناء مولد موجة القرص بشكل صحيح، فسيشق هذا المولد طريقه إلى مركبات مهجنة صديقة للبيئة، بدءا من الدراجة ذات المحرك إلى السيارات العائليّة وصولا إلى شاحنات نقل البضائع. مضيفا: «إنها فقط مسألة وقت وجهد وخيال؛ ومال بالطبع».<S. أشلي>
|
إن المكيّفات والثلاجات والمجمّدات تساعد على تبريد حياتنا، غير أنها تُدار بالطاقة فتستهلك بذلك ثلث الكهرباء المُستخدَمة في بيوت الولايات المتحدة. ومن الممكن تخفيف هذا المقدار بشكل كبير من خلال تقنية جديدة تعتمد على المغنطيس.
تقوم معظم المبردات التجارية بضغط الغاز المُبرّد ومن ثم إزالة الضغط عنه عبر دائرة متكررة. يَسحب المبرِّدُ – عندما يدور – الحرارةَ من داخل غرفة أو من الجهاز. غير أن الضاغطات (الكمبرسورات) تستهلك قدرا كبيرا من الطاقة. وعندما تنبعث معظم الغازات الشائعة الاستخدام فإنّها تسخن الغلاف الجوي بمقدار يزيد 1000 ضعف على ما يسخنه ثاني أكسيد الكربون، جزيئا بجزيء.
 |
| هواء بارد من المغناطيس |
يقوم الباحثون اليوم في مؤسسة أسترونوتيكس الأمريكية بميلواكي بتطوير مبرّد يعتمد على المغنطيس يحلّ محلّ الضواغط. فعندما يتم تعريض كل المواد الممغنطة لحقل مغنطيسي تسخن إلى حد معين ثم تبرد عند إزالته، وهي سِمة تدعى «التأثير المغنطيسي الحراري». تختزن الذرات الحرارة على شكل اهتزازات، وعندما يقوم الحقل المغنطيسي برصف الإلكترونات في معدن ما – ويمنعها من حرية الحركة – فإن اهتزازات ذرات المعدن تزداد وتسخن. فإذا أزيل الحقل انخفضت درجة الحرارة. لقد اكتشفت هذه الظاهرة عام 1881، إلا أنها أهمِلَت في الأغراض التجاريّة، لأنّ المغنطيس البارد المصنوع من الموصلات (النــواقـل) الفــائقــة superconducting سيكون من الناحية النظرية مطلوبا كي يزيد – إلى الحدّ الأقصى – من تأثير درجات الحرارة المنخفضة. إلا أن علماء المواد في مختبر آميس بولاية أيوا التابع لوزارة الطاقة الأمريكية – بالتعاون مع أسترونوتيكس – توصلوا عام 1997 إلى سبيكة من الگادولينيوم والسيليكون والجرمانيوم أظهرت تأثيرا مغنطيسيا حراريا كبيرا في درجة حرارة الغرفة. ومنذ ذلك الوقت قامت المؤسسة بالتركيز على سبائك أخرى من هذا القبيل.
وحاليا تقوم أسترونوتيكس بتصميم مكيّفات تهدف إلى تبريد شقّة أو بيت بمساحة 1000 قدم مربع. يحوي قرصٌ مسطّح صغيرٌ أسافين مساميّة مصنوعة من إحدى هذه السبائك، ويحيط بهذا القرص مغنطيس ثابت دائم المغنطة ودائري الشكل يقع في المستوي نفسه. وللمغنطيس فجوة في طرف واحد يتركز الحقل المغنطيسي عندها. ومع دوران القرص يمرّ كلّ أسفين مغنطيسيّ حراريّ عبر الفجوة فيسخن ثم يعود فيبرد بعد تجاوزه إياها. فيتمّ تسخين السائل الدائر ضمن النظام ثم تبريده بواسطة الأسافين الدوّارة، ويمتص السائلُ المبرّدُ الحرارةَ من الحجرة. وقد صمّم المغنطيس بعناية لمنع الحقل من التبدّد خارج الآلة، لذا فإنه لا يؤثر في الإلكترونيات المجاورة أو الناس المزودين بأجهزة تنظيم ضربات القلب.
يقوم الضاغط في المبرّدات التقليدية بمعظم العمل. أما في المبردات المغنطيسية فإن المحرّك الذي يدوّر العجلة يقوم بمعظم العمل، والمحركات في العادة أكثر كفاءة بكثير من الضواغط. وتسعى مؤسسة أسترونوتيكس إلى إنجاز نموذج أوليّ بحلول عام 2013 قادر على خفض استخدام الكهرباء بمقدار الثلث مقابل المقدار ذاته من التبريد. وفضلا عن ذلك فإن هناك ميزة إضافية مهمة، إذ تستخدم الوحدة الماءَ لنقل الحرارة، «ولا يمكن وجود شيء أكثر صداقة للبــيــئــــة مــن ذلـــك»، كمـا يقول <S. جيكوبس> [مدير مركز التقانة في مؤسسة أسترونوتيكس].
يمكن ملاءمة التصميم من أجل الثلاجات والمجمّدات، وذلك على الرغم من ضرورة السيطرة على كثير من التعقيدات لإيجاد نموذج أوليّ ناجح. إنّ السيطرة على الكيفيّة التي ينساب فيها الماء عبر الأسافين المسامية أمرٌ صعب، فالقرص يدور 360 إلى 600 مرة في الدقيقة، والمغنطيس مصنوعٌ من سبيكة مرتفعة الثمن من النيودميوم والبورون، لذا فإن تصغيره إلى أصغر ما يمكن – مع الإبقاء على تقديمه حقلا مغنطيسيّا قويّا – سيكون ضرورة تجاريّة: «إنها لتقانة عالية المخاطر، ولكنها ذات احتمال واعد، وإن هذا المستوى من الأداء هدفٌ معقول»، كما يقول مهندس الميكانيكا <A. روه> [من جامعة ڤيكتوريا في بريتيش كولومبيا].
 |
يقوم العلماء اليوم بإجراء التجارب بتقانات تبريد أخرى غير اعتيادية. فشركة شيتاك Sheetak الكائنة في أوستن بتكساس، تطوّر مبرّدا يؤدّي العمل بالاستغناء التام عن غازات التبريد refrigerants، إذ، وبدلا من ذلك، تعتمد على مواد حرارية كهربائية تبرد على أحد وجهيها وتسخن على الوجه الآخر عند تعرضها للكهرباء. وبطريقة أو بأخرى، فإن استهلاك كمية أقل من الوقود وخفض انبعاثات الاحترار العالمي global warming – يمكن أن يجعلا العالم مكانا ألطف.<Q .Ch. تشوي>
|
الفحمُ هو أرخص مصادر الطاقة وأكثرها وفرة في الولايات المتحدة، وهو كأغلب المصادر الغنية بالكربون والوفيرة محفز رئيس للتغيّر المناخي. لقد استنبط المهندسون طرقا مختلفة لإزالة ثاني أكسيد الكربون من عوادم المصانع العاملة بالفحم قبل دخوله في الغلاف الجويّ، ولكن هذه العمليات تستنزف ما يصل إلى 30% من الطاقة الناتجة من حرق الفحم في المقام الأول. ويمكن لهذا العبء أن يضاعف تكلفة الكهرباء المولّدة، مما يجعل الحرق النظيف للفحم أمرا يصعب تقبله.
والفكرة جَذَّابة جدا بحيث دفعت وكالة أبحاث مشاريع الطاقة المتقدمة التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، ووكالات أخرى، إلى ضخ أموال لدفع أبحاث التقانات التي قد تقلل من تلك النسبة غير المقبولة.
هذا ويستخدِم تصميمٌ لافت للانتباه على وجه الخصوص – مقدّمٌ من مركز الطاقة التابع لجامعة نوتردام – مادة جديدة تدعى السائل الأيوني ionic liquid، وهو في أساسه نوع من الملح. وأولى فوائده أنه يمتصّ ضعف مقدار ثاني أكسيد الكربون الذي تمتصّه ممتصّات الكربون الأخرى الشبيهة كيميائيا. وبذلك تبرز ميزة إضافية ثانية تتمثّل بخضوعه لتحول من الحالة الصّلبة إلى السائلة فتنطلق بسبب هذا التحوّل حرارة يُعاد تدويرها للمساعدة على إخراج الكربون من السائل، وبالتالي يمكن التخلّص منه.
وتقول <J. برينيك> [المهندسة الكيميائية ومديرة مركز الطاقة]: «تظهر نمذجتُنا أن علينا أن نكون قادرين على خفض الطاقة الطفيلية(2) إلى 222 أو 23%.» وتضيف: «ونود تخفيضها في نهاية المطاف إلى15%.» ويقوم فريقها ببناء وحدة تجريبية لإثبات هذه التقانة.
ولئن بدت هذه التقانة نظرية في المرحلة الراهنة، فإنها – كما تعترف <برينيك>: «في واقع الحال جذريّة، لأنّ هذه المواد جديدة تماما،» إذ لم يكد يمضي على اكتشافها عامان. فمجموعة «برينيك» باشرت لتوِّها باستطلاع هذه المواد، وقد تبرز مشكلات غير متوقعة في أيّة مرحلة. وحتى لو نجحت العملية في المختبر فربما لا يمكن تطويرها إلى مستوى محطّة توليد الطاقة.
 |
| نزع الفحم |
فضلا عن ذلك، فإذا نجحت عملية التخلّص من الكربون فلابد من تخزينه في مكان ما. والفكرة الرئيسة التي يناصرها العلماء هي حقنه في تشكيلات صخريّة مساميّة تحت الأرض بعملية تُعرف باسم العزل sequestration، والتي تمت تجربتها حقليا، ولكنه لم يتم إثباتها على مدى واسع. وهناك فكرةٌ تجريبيّة أخرى وهي مزج ثاني أكسيد الكربون مع السيليكات، مولّدا بذلك العملية الطبيعيّة التي يندمج فيها ثاني أكسيد الكربون في الصخور الكربونية فيصبح خاملا inert.
ومما ينبغي التصدّي له أيضا القضايا الصحيّة والبيئيّة المرافقة لتعدين الفحم، والتخلص من الرماد السام المتبقي بعد الاحتراق. وهذه المشكلات الكثيرة تجعل علماء البيئة يستشيطون غيظا عندما يسمعون تعبير «الفحم النظيف». ومع ذلك فما زال الفحم على غاية من الوفرة والرخص الأمر الذي يشجع على تجريب الأفكار الخطرة التي – إن نجحت – ستؤدي إلى محاربة التغيير المناخي بشكل كبير.<M. ليمونيك>
مراجع للاستزادة
Radical projects being funded by the U.S. Department of Energy’s ARPA-E program: http://arpa-e.erFusion-triggered fission: http://lasers.llnl.gov/about/missions/energy_for_the_future/lifeQuantum photovoltaics: www.utexas.edu/news/2010/03/17/quantum_dot_research
Solar fuels: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/bk-2010-1056.ch001
Shock-wave engines: www.nextbigfuture.com/2009/10/wave-disc-engines.html
(*)7 RADICAL ENERGY SOLUTIONS
(***)Solar Gasoline
(****)Quantum Photovoltaics
(*****)Heat Engines
(******)Shock-Wave Auto Engine
(*******)Magnetic Air Conditioners
(********)Clean(er) Coal
(1) synthesis gas
(2) parasitic energy
