90 جيجاوات الإنتاج العالمى من الطاقة الشمسية 2017
إنتاج الوقود من النفايات يخفض أسعار الطاقة
إعادة تدوير المعادن فى بلجيكا يخفض واردات المواد الخام
استنساخ المواد الحيوية من الطبيعة يعزز قيمة المنتجات المستدامة
20 عاماً متبقية لاعتماد الميكروبات الحيوية كبديل للجراحة والدواء
50 مليار جهاز يعمل بتقنية إنترنت الأشياء بحلول 2020
الطائرات الورقية تدعم 340 ألف توربين رياح لتوليد الكهرباء
الجرافين يحيى الآمال فى بطارية أطول عمراً للسيارات الكهربائية
تسهم الابتكارات الحديثة فى تغير نمط حياة البشر، فأسلوب معيشة الناس تختلف بعد اختراع الكهرباء عما كانت عليه قبلها، وقد قطعت الطائرات الحديثة الكرة الأرضية فى رحلات قصرت إلى عدة ساعات فقط، وبنفس القدر تؤثر هذه الابتكارات على طبيعة النمو الاقتصادى.
ومع دخول الآلات إلى المصانع ظن كثيرون أنها تقضى على أهمية العنصر البشر، لكنها على العكس ضاعفت الإنتاج وتضاعفت معها حركة التجارة عبر الحدود، وتطورت مهارات العمال لتحقيق أعلى إنتاجية.
وقد مر على ذلك عقود طويلة تجعل البعض ينشغل بالنهاية عما كانت عليه البداية، لكن الحقيقة أن ابتكارات جديدة تمهد لمرحلة جديدة من التغير فى طبية الأداء الاقتصادى العالمى، وفيما يلى 7 من أبرز اﻷفكار والابتكارات التى ستعزز النمو العالمى الفترة المقبلة:
1- إنتاج الوقود من النفايات
فى قرية على بعد 60 ميلاً شرق بروكسل، تقاتل شركة بلجيكية لإطلاق تجربة مع مستودع للتخلص من القمامة، حيث تسعى شركة ماشيلز، وهى شركة لإدارة النفايات، الى حفر ملايين الأطنان من النفايات القديمة التى دفنت فى واحدة من أكبر مدافن النفايات فى أوروبا وتحويلها إلى طاقة متجددة ومواد بناء.
يقول رولف شتاين، الرئيس التنفيذى لشركة «أدفانسد بلازما باور»، التى تقوم بتصنيع التكنولوجيا التى تخطط شركة «ماشيلز» لاستخدامها فى موقع مكب النفايات «ريمو»، إن العدد الهائل من مدافن القمامة فى أوروبا مثير للذهول وبدلاً من حفر أعماق جنوب أفريقيا وأمريكا الجنوبية وأستراليا للحصول على البترول الخام الذى هو فى الأصل حصيلة النفايات يمكن استغلال المواد الموجودة هنا وليست بعيدة جداً عن الأرض ويمكن إعادة تخصيصها للطاقة.
ويخطط موقع ريمو لاستخدام تقنية تسمى البلازما، والتى تسخن النفايات إلى درجات حرارة عالية وتحولها إلى غاز متجدد، وتستخدم البلازما بالفعل فى عدة مواقع حول العالم لتحويل النفايات الجديدة إلى طاقة، دون الحاجة إلى الذهاب بالقمامة إلى مكب النفايات، ومع مواقع المدافن الحالية يمكن فرز النفايات وتصفيتها من المعادن والمواد القابلة لإعادة التدوير ومن ثم يتم تحويل المواد المتبقية إلى وقود، ويتم استخدام الرواسب المتبقية من هذه العملية كمون اساسى لصناعة مواد بناء.
وفى حال نجاح هذه العملية فان فرز المعادن واعادة تدويرها يعنى إعادة تدوير ملايين من الدولارات فى صورة معادن (SE:1211) مصنعة وانتاج وقود لاستخدامه فى السيارات والمنازل والمنشآت الصناعية بحسب تقرير لصحيفة فاينانشيال تايمز البريطانية.
2- تقليد الطبيعة يرفع كفاءة الاختراعات
التفت العلماء فى السنوات الأخيرة إلى عبقرية التصميم وتكامل العناصر فى المخلوقات على الأرض، وبدأ الحديث عن تقليد هذا النمط للوصول بهذه الابتكارات لتكون أكثر حياة بين الناس وأسهل فى الاستخدام واعلى فى الفائدة ومن بين هذه الأفكار المقلدة من الطبيعة شبكية العين الاصطناعية وخيوط حرير العنكبوت الاصطناعية.
فى أوائل ديسمبر، أطلقت بولت ثريادس ومقرها ولاية كاليفورنيا أحدث منتجاتها، قبعة متينة صممتها شريكها مصنع بيست ميد وتحمل اسم قبعة الشجاعة وهى تشبه العديد من القبعات الشتوية، لكنها مصنوعة من مزيج من الصوف مع خيوط الحرير العنكبوتية باستخدام الهندسة البيولوجية التى توصلت باستخدام خميرة معدلة وراثيا تولد البروتينات لنسج ألياف بمتانة ألياف العنكبوت، مما يعطيها ميزة أنها تبقى لينة بصفة دائمة.
وبحسب دان ويدماير الرئيس التنفيذى ومؤسس شركة بولت ثريد، فإن تكرار نمط المواد المصنوعة بنفس تراكيب مواد الطبيعة سوف يطلق العنان لموجة من الابتكار مثل خيوط الحرير العنكبوتية.
وبالإضافة إلى تقليد المواد الطبيعية يجرى العمل أيضاً لتكرار وظيفة الأنسجة البشرية ففى جامعة أكسفورد، على سبيل المثال، تقود فانيسا ريستريبو-شيلد وهى طالبة الدكتوراه وباحثة تطوير شبكية العين الاصطناعية التى تحاكى عمليات الشبكية البشرية الطبيعية، وتتكون الشبكية الاصطناعية من غشاء الخلية التى تحتوى على قطرات مائية مع إضافة الحد الأدنى من المكونات البيولوجية اللازمة للكشف عن الضوء وتوليد إشارة كهربائية.
ويأمل الخبراء أيضاً فى أن أبحاث تطوير الميكروبات الحيوية ستتسارع بحيث يمكنها مهاجمة كثير من الأمراض داخل جسم الإنسان، مما يقضى عى كثير من الأمراض المستعصية ويخفف الاعتماد على العمليات الجراحية والأدوية ذات الآثار الجانبية وقد يتحقق ذلك فى غضون 15 إلى 20 عاماً.
3- إنترنت الأشياء
يستخدم مصطلح إنترنت الأشياء للتعبير عن الأجهزة التى يمكن التحكم فيها عبر الاتصال بالشبكة العنكبوتية وهى عملية تطورت بشكل مذهل فى السنوات الأخيرة فلم تعد التجارب تقتصر على أمر لجهاز الميكروويف لتسخين الطعام أو إرسال الثلاجة الكهربائية أمر شراء للسوبر ماركت لاستكمال النواقص بها، بل وصل إلى تجربة السيارة بدون قائد وهى حلم بات قريباً جداً بعد الدخول فى مرحلة التجريب العملى فى الشوارع.
لكن الاتجاه الجديد الذى يأسر قلوب الباحثين هو الاستفادة من الأنترنت فى ابتكار معدات إلكترونية ذات استهلاك محدود للكهرباء تحت مسمى افتراضى «صفر كهرباء» خصوصاً أن استخدام الإنترنت لتحويل البيانات وإعطاء وتنفيذ الأوامر يعنى مزيداً من الاستهلاك للطاقة.
ووفقاً لجميعة العلوم الأمريكية، فإن الإنترنت سيتحكم بحلول 2020 فى نحو 50 مليار جهاز ونحو تريليون حساس استشعار عن بعد وهو ما يعنى استهلاك الكثير من الكهرباء، لكن وصول إنترنت الأشياء إلى المناطق الزراعية والمساحات المفتوحة والأراضى الصحراوية والقطبية يعنى الاعتماد على بطاريات وليس شبكات كهرباء ولذلك يصبح من الواجب العمل على تقليل الاستهلاك لإطالة عمر البطاريات.
4-بدائل ألواح السيليكون للطاقة الشمسية
يعتقد العلماء، أن خلايا مادة بيروفسكيتس المكونة فى معظمها من الكالسيوم ستسهم فى خفض تكاليف إنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية عندما تحل محل خلايا السيليكون التقليدية، وبالفعل أدى تراجع تكلفة تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء الى تغير فى أسواق الطاقة فى جميع أنحاء العالم ففى العام الماضى تم تركيب ألواح ﻹنتاج أكثر من 90 جيجاوات من الطاقة الشمسية على الصعيد العالمى، ومع ذلك، يعتقد الباحثون، أنه فى السنوات القادمة يمكن أن تصبح الطاقة الشمسية أكثر كفاءة وأرخص مما هى عليه الآن.
وتحمل المادة التى تنتمى إلى عائلة من البلورات باسم “بيروفسكيتس” نسبة إلى مكتشفها الجيولوجى الروسى ليف بيروفسكى وتتميز بأنها جيدة جداً فى امتصاص الضوء، وتبين أن لديها كفاءة تحويل للطاقة بنسبة 22% بنفس مستوى مع خلايا السيليكون التقليدية.
وقد تفوقت بيروفسكيتس حتى الآن على غيرها من المواد الشمسية الجديدة – مثل الخلايا الشمسية الصبغية أو الخلايا الضوئية العضوية فى قدرتها على امتصاص طاقة الشمس بكفاءة، لكن لاتزال هناك بعض العقبات الهامة للتغلب عليها قبل انتشار مادة البيروفسكيتس بشكل تجارى لأن بلوراتها تذوب بسهولة، فهى غير قادرة على التعامل مع الظروف الرطبة ويجب حمايتها من الرطوبة بلوحات زجاج صماء.
يقول مايكل ماكجهى، أستاذ علوم المواد فى جامعة ستانفورد إن بيروفسكيتس ليست بالتأكيد مستدامة مثل السيليكون وهذا هو التحدى الرئيسى والتحدى الآخر هو الاحتياج إلى الوقت لإنشاء مصانع المنتج الجديد.
وبدأت التجارب حالياً فى الدمج بين المادتين، حيث أظهرت أبحاث البروفيسور ماكجهى، أن الخلايا الهجينة أكثر كفاءة بنسبة 10% من خلايا السيليكون وحدها.
5- توربينات الرياح
هناك الآن أكثر من 340 ألف توربين للرياح فى جميع أنحاء العالم وبفضل سلسلة من التطورات التكنولوجية أصبحت طاقة الرياح أكثر فاعلية من حيث التكلفة وأكثر انتشاراً مما كان متوقعاً.
وشكلت هذه النسبة ما يقرب من 40% من مزيج الكهرباء فى الدانمارك فى عام 2016 وحوالى 10% فى الاتحاد الأوروبى.
وكانت مزارع الرياح المصدر الرئيسى لقدرة توليد الكهرباء الجديدة فى أوروبا والولايات المتحدة وكندا فى عام 2015، وثانى أكبر مصدر فى الصين، وعلى الرغم من ذلك، فإن أقل من 4% من الكهرباء فى العالم جاءت من الرياح فى عام 2015 لكن انتقل انتشار مزارع الرياح من الأرض إلى البحر حيث تكون سرعة الرياح أقوى وقد استطاعت شركة «مهى فيستاس»، وهى أكبر شركة فى العالم لصناعة التوربينات، تشغيل أكثر من 8000 منزل فى لندن بكهرباء الرياح.
وبحلول عام 2024، يجب أن تتوفر توربينات أكبر سعة قادرة على توليد 15 ميجاواط للتوربين الواحد، وفقاً لما ذكره جايلز ديكسون، الرئيس التنفيذى لهيئة ويندوروب التجارية.
غير أن هذا لا يستفيد منه البلدان المحاطة بمياه عميقة جدا حيث تزرع التوربينات اليوم فى قاع البحر وهى صعبة فى بلد مثل اليابان التى تسعى للتغلب على ذلك حالياً باختبار التوربينات العائمة رغم أن النظم العائمة هى أكثر تكلفة بكثير من تلك الثابتة لكن التكاليف يجب أن تتراجع مع الوقت.
أما على صعيد تخزين الطاقة وهى المسالة الثانية فى تقنيات توربين الرياح، فإن أحد أسباب ضعف الاعتمادل على مزارع الرياح عدم امكانية تخزين الطاقة للأيام التى لا تعمل فيها لضعف الرياح على العكس من بطاريات الطاقة الشمسية وتعمل بعض الشركات على إيجاد طرق لربط التوربينات بالبطاريات.
وتختبر الشركات حالياً أفكار أكثر جرأة مثل الطائرات الورقية لتوليد الكهرباء من حركة الهواء حولها ففى اسكتلندا، حصلت شركة كايت باور سيستمز على أكثر من 5 ملايين جنيه استرلينى من الاستثمار من مجموعات بما فى ذلك شل تكنولوجيز فينتوريس لتنفيذ خطتها لتطير طائرتين من الطائرات الورقية تصل إلى ارتفاع 1500 قدم تعلقها علب رافعة لتوليد الكهرباء وتخزينها.
6- الموصلات الفائقة
تقدم مواد الموصلات الفائقة تغييرات محيرة بداية من الكهرباء إلى النقل مثل الهيدروجين والجرافين، نظراً لأنهما يعطيان مقاومة صفر للكهرباء فى درجة حرارة الغرفة.
حصل كارل مولر عام 1987 على جائزة نوبل فى الفيزياء عند اكتشافه لهذه الخاصة، حيث أثبت أن مادة السيراميك تسجل مقاومة الصفر عند درجة 35 درجة فوق الصفر المطلق، ولذلك فهى لا تحتفظ بالحرارة.
وانتعشت الأبحاث مؤخراً حول آفاق تطوير الموصلات الفائقة لتنقل الكهرباء فى درجة حرارة الغرفة، مما يقلل فاقد الكهرباء، وفى هذه الحالة يمكن نقل الكهرباء بعيداً عبر القارات بكفاءة أكبر بكثير، حيث يمكن للبطاريات الكهربائية الضخمة أن تخزن الطاقة إلى أجل غير مسمى تقريباً، ويمكن للقطارات الممغنطة نقل الناس بين المدن بمعدل 500 كم فى الساعة، ولن تحتاج المغناطيسات فائقة التوصيل إلى أنظمة تبريد (DU:TABR) مكلفة فى هذه الحالة.
لكن لسوء الحظ ليس من السهل حالياً تصنيع هذه المواد فى صورة أسلاك أو كابلات للاستخدام العملى ونتيجة لذلك فمعظم التطبيقات، مثل المغناطيس فائق القوة فى المعدات العلمية، لايزال يستخدم أسلاكاً فائقة التوصيل ويتم تبريدها من قبل الهيليوم السائل وهى تكلفة إضافية يأمل العلماء فى استبدالها بالهيدروجين النقى بعد نجاح تجربة فريق فى معهد ماكس بلانك للكيمياء فى ألمانيا فى استخدام كبريتيد الهيدروجين عام 2015 وهو مركب بسيط من الهيدروجين والكبريت سيئ السمعة برائحة البيض الفاسد خفض حرارة التوصيل إلى -70 سيلزيوس.
وأشار تقرير صحيفة فاينانشال تايمز إلى أن مادة الجرافين أيضاً من المواد العجيبة التى احتفلت باكتشافها جامعة مانشستر فى عام 2004 وهى موصل فائق القوة أيضاً ويتميز بخصائص كهربائية ملحوظة قد تشمل قدرة التيار على التدفق دون مقاومة.
7- عصر ما بعد الليثيوم
يلهث العالم خلف بحوث تخطى عصر بطاريات الليثيوم لتوفير وسيلة ذات كفاءة اقتصادية فى تخزين الطاقة ليس فقط للحفاظ على الهواتف الذكية تعمل لفترة أطول، ولكن لتشغيل السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة التى تنتجها الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وهناك اهتمام متزايد بإيجاد تكنولوجيات بديلة.
وكشفت شركة سامسونج فى نوفمبر أنها وضعت تقنية تعتمد على «كرة الجرافين» التى يمكن أن تعزز قدرة البطارية بنسبة 45% وزيادة سرعة الشحن 5 أضعاف ليستغرق 12 دقيقة فقط لتكون مشحونة بالكامل.
وتعتبر مادة الجرافين أكثر أمنا ووفرة من الليثيوم الذى تهيمن عليه مجموعة قليلة من الشركات وقد اهتمت به شركة سامسونج بعد فضائح انفجار بطاريات هواتفها الذكية المصنعة من الليثيوم.