استخدامات تقنية النانو في مجال الطاقة الشمسية

استخدام تقنية النانو في مجالات الطاقة الشمسية

يمكن تعريف علوم النانو بأنها العلم التطبيقي الذي يركز على دراسة معالجة المواد على المستويين الجزيئي والذري. يعتبر علم النانو فرعاً هاماً من علم المواد، والذي يتداخل مع مجالات أخرى مثل الفيزياء، والهندسة الميكانيكية، والهندسة الكيميائية، والهندسة الطبية الحيوية. يعرف كذلك بعناوين أخرى مثل تقنية الجزيئات متناهية الصغر أو تقنية الصغائر.

تتميز تقنية النانو بتطورها الكبير في إنتاج الطاقة وتخزينها وتحويلها، مما جعلها بديلاً جذاباً للوقود الأحفوري بعد تكاملها مع تقنية الألواح الشمسية. وقد أسهمت في زيادة كفاءة هذه الألواح بنسبة تتراوح بين 30% و40% في الوقت الراهن، بالإضافة إلى تطوير الفلاتر النانوية التي تعمل على تنقية العوادم. تهدف هذه التقنيات إلى حماية كوكبنا من الملوثات الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري.

تمتاز الخلايا الشمسية بمرونتها، مما يجعلها ملائمة للاستخدام في التطبيقات الصغيرة والصناعات التي تعجز الخلايا الشمسية التقليدية عن التكيف معها، مثل المنازل ذات القبة الدائرية.

مراحل تطور الألواح الشمسية

مع تقدم التكنولوجيا، زادت الأبحاث حول الخلايا الشمسية وكيفية تحسين كفاءتها وتقليل تكاليف إنتاجها. ومن بين التطورات الهامة:

الجيل الأول والثاني

تتكون هذه الأجيال من بلورات أحادية ومتعددة من مادة السيليكون وتصل كفاءتها إلى حوالي 9%.

الجيل الثالث

ويشمل خلايا صبغية صممت بتقنية الكهروكيميائية، رغم وجود عيب باستخدام السائل الموصل للضوء.

الجيل الرابع

تستخدم هذه التقنية تقنيات النانو المتطورة، وتهدف بشكل أساسي إلى تقليل التكاليف وزيادة الكفاءة، مما يساهم بشكل كبير في توفير مصادر طاقة خضراء بديلة للوقود الأحفوري وتقليل الانبعاثات الضارة المسببة للاحتباس الحراري والتلوث الصحي.

تطبيق تقنية النانو في الطاقة الشمسية

تشمل التطبيقات العملية لدمج تقنية النانو مع تقنية الخلايا الشمسية ما يلي:

• استخدام الأنابيب النانوية، التي تأتي كنتيجة لتجميع ذرات الكربون ولفها في شكل أنبوب يتمتع بالصلابة والكفاءة في التوصيل الكهربائي والحراري.
• توحيد الخصائص الكارهة للمياه وخصائص التنظيف الذاتي لخلق ألواح شمسية أكثر فعالية، خاصة خلال الظروف الجوية القاسية. تبقى الخلايا الشمسية المغطاة بطبقات نانوية أكثر نظافة، مما يضمن الحفاظ على أقصى معدل من كفاءة الطاقة.
• إنتاج بطاريات تخزين تمكّن من تخزين كميات كبيرة من الطاقة لفترات طويلة، مما يساعد أيضاً في تصنيع سيارات تعمل بالطاقة النظيفة بتكاليف منخفضة، دون الاعتماد على النفط، مما يسهم في خلق بيئة نظيفة ويطيل فترة استخدام الوقود الأحفوري.

الاختلافات بين الخلايا التقليدية والحديثة

هناك فرق كبير بين الخلايا الشمسية التقليدية والخلايا المطورة بتقنية النانو، التي أثبتت تفوقها من حيث الكفاءة في تحويل الضوء، حيث استخدمت تقنيات مثل البقع الكمومية والغرافين. أظهرت تقنية النانو تحسين كفاءة الخلايا بنسبة تتراوح بين 30% و40%، ولكن البحوث والتطوير لا تزال مستمرة في هذا المجال.

وفقاً للدراسة التي قدمها السيد علام، مدرس الفيزياء في الجامعة الأمريكية بالقاهرة، فإن استخدام مادة السيليكون الباهظة الثمن وصعوبة تصنيعها تتطلب شروطاً خاصة. لذا، تعتبر تقنية النانو الحل الأمثل، حيث تؤدي وظائف مماثلة لمادة السيليكون مع مزايا تتعلق بالتوفر والثبات وتقليل التكاليف، بالإضافة إلى إمكانية التنظيف الذاتي.

التأثيرات الصحية لمواد النانو

من المهم أن نكون واعين للتأثيرات السلبية والإيجابية لجميع التقنيات، ومن بين السلبيات المرتبطة بتقنية النانو:

تظهر العديد من الدراسات الطبية المخاطر المرتبطة بالمواد المصنعة باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية، حيث قد تسبب هذه المواد أوراماً خبيثة للأشخاص الذين يتعاملون معها بشكل مباشر. تتسم جزيئات النانو بقدرتها على الدخول بسهولة إلى جسم الإنسان من خلال الأنسجة الرقيقة لجهاز المناعة والرئتين، وفي بعض الحالات، قد تتجاوز الحاجز الدموي الدماغي، مما يعقّد من إمكانية التعامل معها طبياً.