تطبيقات تقنية النانو في مجال الطاقة الشمسية

يشير مصطلح علوم النانو إلى العلم التطبيقى الذي يتناول دراسة معالجة المواد على المستويات الجزيئية والذرية. يعد علم النانو جزءاً مهماً من علم المواد، ويتقاطع مع مجالات مثل الفيزياء والهندسة الميكانيكية، والهندسة الكيميائية، والهندسة الطبية الحيوية. يعرف هذا العلم أيضاً باسم تقنية الجزيئات متناهية الصغر أو تقنية الصغائر.

ما يميز تقنية النانو هو تطورها المذهل في إنتاج الطاقة وتخزينها وتحويلها، مما يجعلها بديلاً يجذب الانتباه للوقود الأحفوري عند دمجها مع تقنية الألواح الشمسية. وهذا التطور أدى إلى تحسين كفاءة الألواح الشمسية بنسبة تتراوح بين 30% إلى 40%، بالإضافة إلى تطوير المرشحات النانوية التي تنقى الغاز العادم. تهدف هذه التقنيات جميعها إلى حماية الكوكب من الملوثات الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري.

تمتاز الخلايا الشمسية بالمرونة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الصغيرة وللصناعات التي يصعب على الخلايا الشمسية التقليدية الاستجابة لها، مثل المنازل ذات التصميمات الدائرية.

مراحل تطور الألواح الشمسية

مع تطور التكنولوجيا، زادت الأبحاث المتعلقة بالخلايا الشمسية وسبل تحسين كفاءتها وتقليل تكاليفها. ومن أبرز التطورات التي تم تحقيقها:

الجيل الأول والثاني

تتكون من بلورات أحادية ومتعددة من مادة السيليكون، حيث تصل كفاءتها إلى 9%.

الجيل الثالث

تشمل خلايا صبغية مصممة باستخدام تقنية الكهروكيميائي، ولكنها تعاني من استخدام سائل موصل للضوء.

الجيل الرابع

تتميز باستخدام تقنية النانو المتطورة، حيث يركز هدفها الرئيسي على خفض التكاليف وزيادة الكفاءة. تسهم هذه الإنجازات بشكل كبير في توفير مصادر طاقة خضراء بديلة للوقود الأحفوري، مما يساعد في تقليل انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري والتلوث الذي يهدد صحتنا.

تطبيق تقنية النانو في الطاقة الشمسية

تتضمن بعض التطبيقات العملية لدمج تقنية النانو مع تقنية الخلايا الشمسية:

• استغلال تقنية النانو المعروفة باسم الأنابيب النانوية، حيث يتم تجميع عدد من ذرات الكربون معًا لتشكيل أنبوب قوي وموصل للكهرباء والحرارة.
• دمج الخصائص الكارهة للمياه مع خاصية التنظيف الذاتي بهدف إنتاج ألواح شمسية أكثر كفاءة، مما يسهل عليها الحفاظ على مستواها النظيف أثناء الظروف المناخية القاسية.
• إنتاج بطاريات تخزين تتميز بقدرتها على تخزين كميات كبيرة من الطاقة لفترات طويلة، مما يساعد في إنتاج سيارات تعمل بالطاقة النظيفة بتكلفة أقل ويقلل من الاعتماد على النفط، مما يساهم في الحفاظ على البيئة.

الفروقات بين الخلايا الشمسية التقليدية والحديثة

هناك اختلاف كبير بين الخلايا الشمسية التقليدية وتلك التي تم تطويرها باستخدام تقنية النانو، حيث أثبتت الخلايا الحديثة كفاءة أعلى في تحويل الضوء بفضل استخدام البقع الكمومية أو الغرافين. وقد أدت تقنية النانو إلى زيادة كفاءة الخلايا بمقدار 30% إلى 40%، بينما تظل عملية التطوير مستمرة.

وفقًا لما ذكره السيد علام، مدرس الفيزياء في الجامعة الأمريكية بالقاهرة، فإن استخدام مادة السيليكون أصبح مكلفاً وصعب التصنيع، إذ يتطلب ظروفاً معينة. لذا فإن الحل المثالي قد تمثل في تقنية النانو التي تؤدي نفس وظائف السيليكون لكنها تتفوق عليها من حيث الوفرة والثبات والتكاليف المنخفضة، إضافة إلى قدرة هذه الأنظمة على التنظيف الذاتي.

الأضرار الصحية المحتملة لمادة النانو

من المهم أن نعلم أن لكل تقنية إيجابيات وسلبيات. من بين السلبيات المرتبطة بتقنية النانو:

أظهرت عدة دراسات طبية المخاطر المحتملة للمواد المصنعة باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية على الصحة. حيث يمكن أن تسبب هذه المواد الأورام الخبيثة للمستخدمين المباشرين، إذ يمكن لهذه الجزيئات أن تدخل جسم الإنسان بسهولة عبر جهاز المناعة والرئتين، وفي بعض الأحيان قد تتجاوز حاجز الدماغ بدون وجود علاج فعال حال دخولها.