فريق من جامعة {كاوست} يطور أجهزة ذكية لامتصاص الطاقة

لا يوجد صمام تجاري في العالم يعمل بهذا التردد فائق السرعة

الباحثون عاطف شميم وجوراف جاياسوال وعزت ميريدوف يناقشون التداخل على المستوى النانوي بين ذراعي الهوائي

طور فريق من الباحثين بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) جهازاً يمكنه الاستفادة من الأشعة تحت الحمراء التي تنبعث باستمرار من حولنا بسبب الاحترار الناتج عن امتصاص الأسطح والمحيطات والغلاف الجوي لأشعة الشمس، وهي طاقة تُقَدَّر بملايين الجيجا واط في الثانية.
الجهاز المطور يمكنه الاستفادة من هذه الطاقة وكذلك الحرارة المفقودة الناتجة عن العمليات الصناعية، وذلك من خلال تحويل إشارات موجية مدتها جزء من الكوادريليون (Quadrillionth) من الثانية إلى كهرباء مفيدة.
وبخلاف الألواح الشمسية المقيدة بالضوء في ساعات النهار وظروف الطقس وأحوال المناخ، يمكن لهذا الجهاز امتصاص حرارة الأشعة تحت الحمراء على مدار 24 ساعة في اليوم. وتتمثل إحدى طرق ذلك في التعامل مع فاقد الحرارة أو حرارة الأشعة تحت الحمراء كموجات كهرومغناطيسية عالية التردد. وباستخدام هوائيات مصممة خصيصاً لهذا الغرض، تُرسَل الموجات التي جُمعَت إلى جهاز مُقوِّم، يكون في المعتاد عبارة عن صمام ثنائي (مركب إلكتروني مصمم للحماية من الرجوع العكسي للتيار) من أشباه الموصلات، يحول الإشارات المتناوبة إلى شحنة تيار كهربائي مباشرة للبطاريات أو أجهزة الطاقة.
كان تحويل تصميم هذه «الهوائيات المقومة» إلى أجهزة فعلية ملموسة أمراً صعباً. فنظراً إلى أن انبعاثات الأشعة تحت الحمراء تتسم بطول موجي صغير للغاية، فإنها تحتاج إلى هوائيات ميكروية أو نانوية ليس من السهل تصنيعها أو اختبارها. وبالإضافة إلى ذلك، تتذبذب موجات الأشعة تحت الحمراء بسرعة أعلى آلاف المرات من قدرة أي مادة شبه موصلة تقليدية على تحريك الإلكترونات عبر نقطة التوصيل. وأوضح عاطف شميم، مدير المشروع البحثي أنه لا يوجد صمام تجاري في العالم يستطيع أن يعمل بهذا التردد فائق السرعة. كل تلك الصعوبات جعلت الفريق يلجأ إلى استخدام طريقة النفق الكمي في الانتقال.
تعمل أجهزة النفق الكمي، كالصمامات الثنائية التي تستخدم مادة عازلة بين معدنين، على تقويم موجات الأشعة تحت الحمراء وتحويلها إلى تيار كهربائي من خلال نقل الإلكترونات عبر حاجز صغير. ولأن سُمك هذا الحاجز يبلغ نانومتراً واحداً فقط، فبوسع هذه الصمامات الثنائية التعامل مع إشارات التردد العالية في زمن يصل إلى فمتو ثانية (وحدة قياس زمنية). ولتوليد المجالات المكثفة المطلوبة لطريقة النقل النفقي الكمي، اتجه الفريق إلى هوائيات نانوية على شكل «رابطة عنق فراشية الشكل»، تستخدم طبقة عازلة رقيقة بين ذراعين معدنتين متداخلتين.
ويشير باحث ما بعد الدكتوراه، جاوراف جاياسوال إلى أن الجزء الأكثر صعوبة كان تداخل ذراعي الهوائي، الأمر الذي تطلب محاذاة فائقة الدقة، ومن خلال الجمع بين الحيل البارعة والأدوات المتقدمة في وحدة التصنيع النانوية بالجامعة، تم إنجاز هذه الخطوة.
يستطيع الصمام الثنائي الجديد - الذي يستخدم معادن ذات وظائف مختلفة - التقاط موجات الأشعة تحت الحمراء بجهد كهربائي مقداره صفر، وهي مزية موفرة للطاقة تقوم بتشغيل الجهاز فقط عند الحاجة. وكشفت تجارب التعرض للأشعة تحت الحمراء أن الصمام الثنائي نجح في استخلاص الطاقة من الإشعاع، وليس من التأثيرات الحرارية، كما دل على ذلك الجهد الكهربائي الناتج المعتمد على الاستقطاب.
وبحسب شميم فإن هذا المشروع يعد بمثابة البداية، فما زالت هناك مرحلة إثبات المفهوم، وأضاف: «يوماً ما قد نجد ملايين من هذه الأجهزة متصلة معاً لتعزيز الإنتاج الشامل للطاقة الكهربائية».