تلاش برای دستیابی به منابع جدید تولید انرژی به یک حرکت جهانی تبدیل شده است. در این میان ایده های عجیب زیادی نیز مطرح می شوند که شاید هیچ گاه به واقعیت نپیوندند، اما اگر هر یک از آنها درست از آب در آیند به جرأت می توان گفت امنیت تولید انرژی تا حد چشمگیری بهبود پیدا می کند.

اگر سری به آزمایشگاه های پیشرفته سراسر جهان بزنیم شمار زیادی از دانشمندان را می بینیم که روی این مقوله کار می کنند. تلاش آنها از ارزش و اهمیت بالایی برخوردار است و استقبال خوبی در محافل علمی سراسر جهان از آنها می شود. با این حال تاکنون اتفاق چندان خبرسازی روی نداده است. آنچه در این میان از اهمیت خاصی برخوردار است لزوم ارائه ابتکار عمل ها و خلاقیت هایی است که بازی پر فراز و نشیب تولید انرژی به روش های نو را به سرانجامی مناسب برسانند. برخی از این ایده ها در نوع خود بسیار خیالپردازانه و دور از دسترس به نظر می رسند.

ماهواره هایی که پرتوهای خورشیدی را به سمت زمین منعکس می کنند یا توربین های بادی معلق در آسمان که در ارتفاع زیادی از سطح زمین پرواز می کنند، به گردش در می آیند و الکتریسیته تولید می کنند از جمله این ایده های رویایی به شمار می آیند.

تولید برق از همجوشی هسته ای

فیزیکدانان و مهندسان دهه هاست روی ایده مهمی همچون تولید انرژی از همجوشی هسته ای کار می کنند. این همان فرآیندی است که در قلب خورشید روی می دهد و به آزادسازی مقادیر عظیمی از انرژی منجر می شود، اما مشکل بزرگی وجود دارد که موجب شده تاکنون این ایده در مقیاس کلان و به عنوان شیوه ای مؤثر برای تولید انرژی به کار گرفته نشود.

این تکنیک باید به گونه ای اجرا شود که واکنش های انجام شده بیش از میزان انرژی که برای ایجادشان صرف می شود، انرژی تولید کنند یا به عبارتی، از بعد انرژیکی توجیه منطقی داشته باشند.

دانشمندان تأسیسات ملی احتراق در لیورمور کالیفرنیا با ایده جدیدی برای استفاده از این روش خارق العاده تولید انرژی به میدان آمده اند. آنها قصد دارند از همجوشی هسته ای برای انجام عمل شکافت اتمی استفاده کنند. در این رهگذر انرژی هنگفتی آزاد می شود که با استفاده از آن می توان رآکتورهای هسته ای رایج را راه اندازی کرد. ادوارد موسز، مدیر این پروژه می گوید می توان خوشبین بود که تا ۲۰ سال آینده نخستین تاسیسات آزمایشی تولید برق مبتنی بر این روش راه اندازی شود.

در این طرح که خیلی ها آن را فراتر از زمان خود ارزیابی می کنند، پالس های لیزری باعث آغاز واکنش های همجوشی ضعیفی در مرکز محفظه احتراق هسته ای می گردد و علاوه بر تولید انرژی مختصری در مقایسه با انرژی نهایی تولید شده در رآکتور، موجی از نوترون های آزاد را منتشر می سازد. تشعشع نوترونی باعث آغاز فرآیند شکافت هسته ای در پوششی از اورانیوم یا هر سوخت هسته ای دیگری خواهد شد که چون تیوپی، محفظه اصلی را در بر گرفته است. انرژی حاصل از شکافت هسته ای در این طرح حدودا ۴ برابر انرژی حاصل از همجوشی هسته ای خواهد بود.

تولید بنزین از خورشید

خورشید، بزرگ ترین منبع تولید انرژی است که ما در نزدیکی خود می شناسیم. یک ساعت انرژی تولید شده در خورشید، فراتر از نیاز تمام جمعیت زمین در مدت یک سال است. حالا اگر دانشمندان بتوانند راهی پیدا کنند که تنها مقادیر اندکی از این میزان انرژی را به سوخت مایع تبدیل کنند وابستگی مان به سوخت های فسیلی از بین رفته و به دنبال آن توسعه سیستم حمل و نقل با سرعت بیشتری دنبال می شود. در عین حال مشکلات زیست محیطی ناشی از استفاده از سوخت های فسیلی نیز از میان خواهد رفت. اما چگونه؟

ناتران لویس، مدیر مرکز فتوسنتز مصنوعی انستیتو فناوری کالیفرنیا می گوید: احتمالا سوخت های شیمیایی کلید اصلی این تغییر خواهند بود به شرط آن که بتوان آنها را مستقیم و با قیمتی ارزان از انرژی خورشیدی تولید کرد. در آزمایشگاه های ملی ساندیا در آمریکا اقدامات جالب توجهی صورت گرفته است.

نکته: اگر دانشمندان بتوانند راهی پیدا کنند که تنها مقادیر اندکی از انرژی خورشیدی را به سوخت مایع تبدیل کنند وابستگی مان به سوخت های فسیلی از بین رفته و مشکلات زیست محیطی ناشی از استفاده از سوخت های فسیلی نیز از میان برداشته خواهد شد

محققان این مرکز بشقابی به عرض ۶ متر را که پوشیده از آینه است، در قلب نیومکزیکو کار گذاشته اند. این بشقاب بزرگ پرتوهای خورشیدی را روی سیلندری نیم متری متمرکز می کند که شباهت زیادی به یک بشکه کوچک دارد. آینه هایی که در این بشقاب قرار دارند، نور خورشید را روی یک سری حلقه های متقارن متحدالمرکز ـ که هر دقیقه یک بار می چرخند ـ منعکس می کنند. در این حلقه ها دندانه هایی از جنس اکسید آهن (زنگ آهن) یا اکسید سریم (cerium) وجود دارد که تا ۱۵۰۰ درجه سلیسیوس داغ می شوند. این گرمای قابل توجه، اکسیژن را از زنگ آهن خارج می کند و باعث ترکیب آن با بخار آب و هوای ورودی می شود. همزمان که این دندانه ها ضمن چرخش و ورود به بخش تاریک سیلندر بتدریج خنک می شوند عملیات اکسیداسیون آغاز می شود و اکسیژن مجدد به بافت آهنی باز می گردد که در نتیجه آن مقادیری منوکسیدکربن یا هیدروژن داغ و غنی از انرژی برجای می ماند.

ترکیب یاد شده با عنوان گاز ترکیبی شناخته می شود که اساس مولکولی تولید سوخت های فسیلی، مواد شیمیایی و حتی پلاستیک ها نیز به شمار می آید. این فرآیند در زمان تولید مقادیر زیادی دی اکسیدکربن از اتمسفر زمین جذب می نماید و سوخت تولیدی در زمان سوختن، همان مقدار را آزاد می کند.

برخی دانشمندان این روش تولید سوخت از نور خورشید را به زدن چهار هدف با یک تیر تشبیه می کنند؛ منبع سوخت پاک، امنیت بیشتر در تولید انرژی، کاهش دی اکسید کربن تولیدی و تغییرات جوی به مراتب کمتر. این ایده جدید تولید سوخت مصنوعی مورد توجه دانشمندان زیادی در سراسر جهان قرار گرفته است.

محققان انستیتو فناوری فدرال سوئیس در زوریخ و دانشگاه مینه سوتا از جمله گروه های تحت تاثیر قرار گرفته هستند که هم اکنون روی طراحی و ساخت ماشین آلاتی که با استفاده از نور خورشید سوخت و بنزین تولید می کنند، کار می کنند.

سلول های خورشیدی کوانتومی

امروزه سلول های خورشیدی که در مقیاس تجاری تولید می شوند. در بهترین حالت ممکن تنها ۱۰ تا ۱۵ درصد از انرژی خورشیدی دریافت شده را به جریان الکتریکی تبدیل می کنند. به همین دلیل است که این سلول ها معمولا قیمت گزافی دارند و برقی که به این ترتیب نیز تولید می شود قیمت تمام شده بالایی خواهد داشت. یکی از مهم ترین دلایل پایین بودن بازده کاری چنین سلول هایی این است که تک لایه سیلیکون جذب کننده نور نهایتا بازده ۳۱ درصدی دارند.

البته این رقم از بعد نظری مطرح می شود و زمانی که نوبت به انجام آزمایش های عملی می رسد، می بینیم بازده مورد نظر نهایتا ۲۶ درصد است.

بتازگی تحقیقاتی در زمینه کریستال های نیمه هادی یا همان نقاط کوانتومی انجام شده که با استفاده از نتایج آنها می توان بازده کاری این سلول ها را از بعد نظری به ۶۱درصد نیز رساند که این به معنای هموار شدن راه برای تولید برق بیشتر و ارزان قیمت تر از طریق سلول های خورشیدی است. در سلول های خورشیدی فعلی، فوتون های نوری که به سلول های خورشیدی می رسند با تحریک الکترون ناپایدار و افزایش انرژی درونی آنها زمینه کند شدن و فرار الکترون ها را فراهم می کنند.

الکترون های آزاد هم تحت تاثیر اختلاف ولتاژ در یک رشته سیم جریان پیدا کرده و راهی دستگاه مصرف کننده برقی می شوند، اما نکته اینجاست که برخی الکترون ها بیش از آنچه برای رهایی از جاذبه اتمی انرژی لازم است، گرما از فوتون های خورشیدی دریافت می کنند. این الکترون های داغ، انرژی مازاد خود را به محض رهایی از چنگال هسته اتم به صورت گرما آزاد می کنند.

حالا ایده جدیدی مطرح شده است که اگر انرژی مازاد الکترون های داغ را بتوان به نوعی پیش از آن که سرد شوند مورد استفاده قرار داد، بازده کاری صفحات خورشیدی دوبرابر خواهد شد. یک راه حل منطقی برای استفاده از این انرژی مازاد، کاهش سرعت سرد شدن الکترون هاست. به این ترتیب زمان کافی برای این که انرژی گرمایی آنها را به دام بیندازیم، در اختیار خواهیم داشت. محققان این ایده را کاربردی و منطقی می دانند و معتقدند سال های آینده و با تکیه بر چنین ایده ای می توان به افزایش تولید برق خورشیدی آن هم با قیمت تمام شده پایین تر امیدوار بود.

منبع:

Scientific American

مترجم:مهدی پیرگزی