تنمو الطاقات المتجددة بمعدل سريع للغاية. إن ما لا نتوقعه على الأقل للمساهمة في تحسين كفاءة الطاقة النظيفة ينتهي به الأمر إلى أن يكون الأكثر فائدة. هذه هي حالة الاكتشاف المفاجئ الذي توصل إليه علماء من الولايات المتحدة وألمانيا، الذين وجدوا مفتاح تحسين تقنيات الطاقة الشمسية في أجنحة الفراشة السوداء. أجنحة هذه الفراشة مغطاة بقشور إنهم قادرون على حصاد ضوء الشمس في مجموعة واسعة من الزوايا والأطوال الموجية. وقد سمح هذا الاكتشاف للباحثين بتطوير تقنية يزيد من امتصاص الخلايا الشمسية بنسبة تصل إلى 200%.
ولكن كيف يمكن للحشرات الصغيرة مثل الفراشات السوداء أن تكون في طليعة التطور التكنولوجي في مجال الطاقة المتجددة؟ لفهم هذه الظاهرة بشكل أفضل، دعونا نتعمق في البحث والتصميم وراء هذا الإنجاز الثوري.
أجنحة الفراشة السوداء، مصدر للإلهام
تم تنفيذ العمل بواسطة باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) ومعهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT)، نشر النتائج في المجلة علم السلف. ركزت الدراسة على نوع من الفراشة السوداء تسمى باتشليوبتا أرسطوتشيايوالتي تعيش في جنوب وجنوب شرق آسيا. طورت هذه الفراشات، عبر التطور، أجنحة فعالة للغاية في التقاط ضوء الشمس.
تم تصميم الحراشف الموجودة على أجنحة هذه الفراشات بطريقة خاصة جدًا، مما يولد سطحًا يجمع ضوء الشمس. في مجموعة واسعة من الأطوال الموجية ومن زوايا مختلفة. بالنسبة لتقنيات الألواح الشمسية التي تعتمد على حصاد الضوء، يعد هذا اكتشافًا بالغ الأهمية، نظرًا لأن الألواح الشمسية تعتمد على الإشعاع الشمسي الذي يسقط عليها مباشرة. ومن خلال تكرار هذا الهيكل الذي يسمح بالتقاط المزيد من الضوء، وجد المطورون طريقة لزيادة كفاءة استخدام الطاقة في الخلايا الشمسية.
هيكل الأجنحة والمحاكاة الحيوية
ما سر أجنحة هذه الفراشات؟ الجواب يكمن في هيكلها الفريد. أجنحة ال باتشليوبتا أرسطوتشياي لديهم نتوءات وثقوب مجهرية على شكل ثقوب نانوية حجم صغير للغاية، في ترتيب نانومتر. وهذا يعني أنها يمكن أن تمتص كمية كبيرة من الضوء الساقط، حتى عندما يصل من زوايا غير مناسبة.
وللتحقق من هذه القدرة، أنشأ العلماء نماذج ثلاثية الأبعاد من الصور المجهرية لأجنحة الفراشة السوداء. هذه النماذج ثلاثية الأبعاد لم يسمحوا لنا بمحاكاة امتصاص الضوء فحسب، بل ساعدوا أيضًا في تصميم خلايا شمسية مستوحاة من هذا الهيكل. وبفضل تقنية المحاكاة الحيوية، التي تتكون من محاليل مقلدة من الطبيعة، تمكن الباحثون من تكرار هذه الأنماط في طبقات من السيليكون المهدرج غير المتبلور، وهي مادة شائعة في صناعة الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة.
أظهر التصميم الناتج أ إمكانية زيادة امتصاص الضوء بنسبة 200% مقارنة بالأنواع الأخرى من الخلايا الشمسية. تحدث هذه الظاهرة بشكل رئيسي بسبب تصميم الهيكل، الذي تشتت الضوء من خلال الثقوب النانوية في جميع أنحاء الطيف الشمسي، مما يزيد من امتصاصه حتى عند زوايا السقوط غير المتعامدة.
امتصاص الضوء في زوايا مختلفة
يكمن مفتاح النجاح في هذا التصميم في طريقة تشتيت الضوء وامتصاصه. تقليديا، تعمل الألواح الشمسية بشكل أفضل عندما تضربها أشعة الشمس بشكل عمودي، مما يحد من فعاليتها في أوقات معينة من اليوم عندما لا تكون الشمس في أعلى نقطة لها.
وبفضل التصميم المستوحى من الفراشة، يمكن للخلايا الشمسية الجديدة أن تمتص الضوء بشكل فعال حتى عندما تضرب أشعة الشمس زوايا تصل إلى 50 درجةمما يزيد من أداء الطاقة لديك طوال اليوم. علاوة على ذلك، فإن البنية المسامية للثقوب النانوية الموجودة في أجنحة الفراشات السوداء لا تعمل على تحسين جمع الضوء فحسب، بل توفر أيضًا استقرارًا ميكانيكيًا مهمًا، مما يساعد الفراشات في الحفاظ على توازنها الحراري.
من حيث التطبيق العملي، يمكن لهذا التصميم أن يزيد من توليد الطاقة في الألواح الشمسية المثبتة في المواقع التي لا تصل فيها أشعة الشمس بشكل عمودي تمامًا. يمكن للبلدان الواقعة في المناطق الجنوبية أو المواقع ذات الظروف المناخية المتغيرة أن تستفيد بشكل كبير من هذه التكنولوجيا. هذه التقنية سهلة التنفيذ في تصنيع الألواح، حيث استغرق الأمر من العلماء عشر دقائق فقط لتطبيق طلاء البوليمر اللازم لتكرار بنية الأجنحة.
المحاكاة الحيوية والتطبيقات الأخرى
إن علم المحاكاة الحيوية، وهو المجال الذي يدرس كيفية تكرار العمليات الطبيعية لحل المشاكل التكنولوجية، يشهد ازدهارا كبيرا. إن حالة الفراشات السوداء ليست المثال الوحيد لكيفية إلهام الطبيعة للهندسة الحديثة المطبقة على الطاقة المتجددة. وتشمل الأمثلة البارزة الأخرى استخدام الخنافس لتحسين جمع الرطوبة من الهواء أو المهارات اللاصقة للأبراص لأنواع جديدة من الغراء القابل للتحلل.
وبهذا المعنى، فإن العديد من التطورات في مجال الطاقة النظيفة مدفوعة بهذا النهج. إن الألواح الشمسية القائمة على المحاكاة الحيوية ليست أكثر كفاءة فحسب، بل يمكن أن تكون أيضًا أكثر اقتصادا واستدامة. ومن خلال استنادها إلى مبادئ طبيعية تم تحسينها على مدار ملايين السنين من التطور، تتيح هذه التصميمات حلولاً أبسط وأكثر فعالية من تلك التي تم إنشاؤها بواسطة العمليات الصناعية التقليدية.
في الواقع، في المستقبل القريب قد نرى انتشار التكنولوجيا القائمة على المحاكاة الحيوية في مجالات أخرى، مثل أجهزة LED أو الأشكال الجديدة لتخزين الطاقة. لقد حصل العلماء في الفريق الذي عمل على هذه الخلايا الشمسية بالفعل على تمويل إضافي لمواصلة البحث في تطبيقات أخرى لهذه المبادئ في مجالات مثل الإضاءة الموفرة للطاقة.
إن تطوير الخلايا الكهروضوئية المستوحاة من الفراشات السوداء هو مجرد البداية. وفي سياق عالمي حيث يمثل الانتقال إلى الطاقات المتجددة أولوية لمكافحة تغير المناخ، فإن تطبيق التصاميم المحاكاة الحيوية يمكن أن يحدث ثورة في كفاءة الطاقة ويساهم في مستقبل أكثر استدامة.
تظهر الأبحاث أنه من خلال مراقبة الطبيعة عن كثب، وخاصة الحشرات، يمكننا إيجاد حلول أكثر ذكاءً وكفاءة للمشاكل التكنولوجية. حاليا، استخدام هذه التكنولوجيا يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكلفة الألواح الشمسيةمما يسمح بإنتاج طاقة أكثر ثباتًا واستقرارًا في المناطق التي يختلف فيها ضوء الشمس بشكل كبير خلال النهار.
ومع تزايد الطلب على حلول الطاقة النظيفة، تمثل تقنيات المحاكاة الحيوية مثل تلك المستوحاة من أجنحة الفراشة السوداء تقدما حاسما. ولا تفتح هذه التطورات إمكانيات جديدة لتصنيع ألواح أكثر اقتصادا وكفاءة فحسب، بل تضاعف أيضا التطبيقات المحتملة في إنتاج الطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم.
أنت لا تعرف ما يقال في المقال ، شكرا لتوضيحك قليلا عن الموضوع ، لأنني أعمل في صناعة الألواح الشمسية.