أمواج البحر قد تحمل السر لطاقة متجددة فعالة
مادام الطلب على طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتجددتان يزيد بانتظام فالحاجة إلى خفض التكاليف وإطالة عمر بطاريات تخزين الطاقة المتجددة تصبح أكبر.
بالعودة إلى الأساسيات، باحث من جامعة سينسيناتي لكيمياء الكم ينظر في كيفية تراصف الماء والجزيئات الأخرى وتأثيرهما على التوزع الأيوني على السطح حيث يلتقي الهواء والسائل. وتلقى هذه النتائج الاحترام من كبار علماء الفيزياء في جميع أنحاء العالم، وتظهر واعدة لتعزيز كفاءة أجهزة الطاقة المتجددة.
كجزء من بحثه الذي تموله مؤسسة العلوم الوطنية تحت عنوان “الدراسات الحاسوبية لبعض آثار الشاردة في الماء و في القنوات الايونية”، “توماس بيك”، أستاذ الكيمياء في كلية ماكميكن McMicken للفنون والعلوم في جامعة سينسيناتي، استعان بالموارد التقنية لـ ( OSC Ohio Supercomputer Center) لتحسين طرق حساب الديناميكا الحرارية لإماهة الشوارد. بعبارة أخرى، من أجل فهم أفضل للمفاهيم العامة لما يحدث داخل البطاريات وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة، بالنسبة للطاقة المولدة من مصادر مثل تكثيف الطاقة الشمسية والكهروضوئية، بيك وجد وسيلة أكثر كفاءة لقياس التوتر الكهربائي على سطح الماء وغيره من السوائل مثل كربونات الاثيلين و كربونات البروبيلين.
وقد طور بيك الطرق الأساسية بإستخدام حسابات الكم لإظهار أن أقدم الطرق، الأكثر تقليدية لقياس الشحنة الكهربائية السطحية للماء في كثير من الأحيان تبالغ في تقدير حالة استقطاب الشوارد، التي هي مركز العمليات الكهربائية.
يقول بيك : “لقد حاول العلماء تاريخيًا محاكاة الشوارد في الماء عن طريق تطوير حقول القوة لإستخدامها في الميكانيكا الجزيئية، ولكنهم ربطوا تلك النتائج مع البيانات التجريبية التي قد تشمل أو لا تشمل الكمون الكهربائي على سطح الماء”، ويقول أيضا : “كثيرا ما أدت هذه النماذج لقياسات غير دقيقة وقيم منحرفة.”
“من خلال فهم حقيقة ما يحدث على المستوى الجزيئي على سطح السائل، يمكننا تحسين المفاهيم العامة للسطوح البينية داخل أجهزة الطاقة المتجددة.”
في نهاية المطاف، يشعر بيك أنه يتم إحراز تقدم في طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتجددة ولكن قد لا يكون هذا التقدم سريعا بما يكفي لمواجهة الأزمة المتوقع حدوثها. نظرا للمسار الذي يتم فيه استخدام الطاقة في المعدلات الحالية، حيث قال انه يتوقع أن الطلب على الطاقة في المستقبل من المحتمل أن يتضاعف في السنوات الـ 50 المقبلة، وذلك جزئيا بسبب النمو في البلدان النامية.
ويقول بيك :”أكثر من ثلثي مصادر الوقود الموجودة في الأرض من المرجح أن تنفد في فترة زمنية تتراوح بين 50 و 100 سنة”، يضيف : “وهذا يؤكد الحاجة إلى تغيير البنية التحتية للطاقة ولهذا نحن نعمل بجد لتطوير موارد أفضل للطاقة للمستقبل.”
دور المد والجزر في الطاقة
كمثال على الدور الفعال الذي تلعبه إماهة الشوارد في الطاقة، بيك يشير إلى طبقة الغلاف الجوي الموجودة فوق المحيط. ويوضح أنه في كل مرة تضرب موجة، فإن قطرات المياه التي تحتوي على شوارد (جزيئات لها إما شحنة موجبة أو سالبة) تصعد في الهواء، حيث ان تلك الأيونات التي تترتب بالقرب من سطح القطرات يمكن أن تؤثر على كيمياء ما يحدث في الجو حولها. ويمكن لهذه الأيونات أن تؤثر عندما يأتي الضوء، ويمكن ان تؤثر على كيفية امتصاصه وانعكاسه، والذي يمكن أن يؤثر على درجة حرارة الغلاف الجوي. مخفيًا في كيمياء هذا الغلاف الجوي يمكن أن نجد بعض الإجابات الأكثر عمقًا للحصول على الطاقة.
طرق بيك المحسنة لقياس الديناميكا الحرارية لإماهة الايونات لاقت الاحترام العالمي الساحق من العديد من الفيزيائيين المهمين في العالم الذين دعوه للحديث في العديد من المؤتمرات المرموقة حول كيمياء الكم والمجتمع المادي في جميع أنحاء العالم، من النرويج الى استراليا والآن سويسرا.
في سبتمبر الجاري، تمت دعوة بيك لإعطاء الخطاب الرئيسي في لوزان، سويسرا، لمجموعة تجريبية متطورة وحديثة حول كمونات السطح – ورشة عمل لحقائق ،نتائج وتخيلات-. وسوف يقدم خطابًا حول كمونات سطح الماء تحت عنوان “دور كمونات سطح الماء في خصوصية الشاردة”. وتشمل هذه المجموعة المرموقة اثنين من العلماء النظريين والعديد من أفضل العلماء التجريبية في العالم، جميعهم ممن يحاولون تمييز و تحديد كمية هذا الكمون الكهربائي للسطح.
الشيء الذي يعتبر نزاعًا بالنسبة لبيك هو أن الكمون الكهربائي بالقرب من سطح الماء في الواقع يؤثر في كيمياء المياه الداخلية المجاورة. والآلية الأساسية التي تقف وراء التغير الكيميائي على السطح تعتبر أمرًا بالغ الأهمية وتحتاج للفهم أيضا.
“إن علاقة هذا الموضوع بالمؤتمر السويسري هو إنه سيضيف إلى النقاش الكبير التساؤل حول ما إذا كان سطح الماء يحمل شحنة موجبة أو شحنة سالبة، وسوف يفتح أيضا طريقا للبحث حول كيفية توزع الشوارد على سطح من المياه المالحة. ”
كما قام بيك بتطوير طريقة عملية لتطبيق هذه العملية الأيونية الأساسية في ترتيب الشوارد داخل البطاريات بالقرب من السطح البيني، مما يؤثر في النهاية على كيفية عمل البطارية.
ويوضح بيك :”في بحثي هذا استعرض رسم بياني بدلالة الزمن للقيم المحتملة التي يأخذها الكمون الكهربائي للسطح كثيرا”، “وفقا لطبيعة المشكلة ذاتها تصبح معقدة للغاية، ولكن أساسا، عندما آخذ شحنة افتراضية لا تتفاعل مع أي شيء واسحبها عبر سطح الماء، اتضح أن التغير في فرق الكمون بلغ حوالي أربعة فولت ( -0،4)، وهي زيادة ضخمة في الكمون الكهربائي مقارنة بالتغير من 1-2 فولت (-0.1 إلى -0.2) الذي قدره البعض من قبل.
“وكانت هذه صدمة لم يتم اكتشافها إلا في السنوات الخمس الاخيرة.”
ويشارك بيك حاليًا في بحوث ذات صلة تقوم بالتحقيق في الديناميكا الحرارية لإذابة الشوارد في المذيبات غير المائية مثل كربونات الاثيلين و كربونات البروبيلين، حيث يستخدم كلاهما عادة في المكثفات الفائقة للطاقة المتجددة.
