أول مادة اصطناعية تتبع أشعة الشّمس

تعد الشّمس مصدرًا رائعًا للطاقة على الأرض إذ إنها المصدر الرّئيسي لأغلب مصادر الطّاقة التي نستخدمها اليوم، ويعد استخدام الطّاقة الشّمسية مباشرة من أفضل الحلول لتوفير طاقة متجددة .[5]

الخلية الكهروضوئية pv هي عبارة عن رقاقة مؤلفة من طبقتين، الأولى هي طبقة السّيليكون المؤين بالفوسفور (الجزء السالب )، أما الطّبقة الثّانية فهي السّيليكون المؤين بالبورن (الجزء الموجب).[3] 

آلية عمل الخلايا الكهروضوئية:

عندما يسقط الشّعاع الشّمسي على الخلية فإن الفوتونات تتغلغل داخل الخلية دون أن ترتد إلى السّطح، تمتص الإلكترونات الموجودة في القسم السّالب N طاقة الفوتونات فتتحرك ضمن حقل مغناطيسي (التيار الكهربائي).

وبما أن الضّوء يسقط على الخلية الكهروضوئية فإن مليارات الفوتونات تدخل ومن ثم يخرج عدد هائل من الإلكترونات من الخلية وهذا مايجعلنا نعتقد أن الخلية الضّوئية ستخسر هذه الإلكترونات وتفقد البطارية شحنها لكن في الحقيقة إن الخلايا الكهروضوئية تعمل محولًا للطاقة لا مصدرًا للطاقة إذ إن كل إلكترون يخرج من الخلية يدخل من جديد عن طريق سلك كهربائي ومن ثم تعمل الخلية الضوئية دارة لتحويل الطّاقة الضوئية إلى تيار كهربائي، [4]وهنا لدينا شكل توضيحي لهذه العملية:

إن الإنتاج الأمثل للطاقة بواسطة الخلايا الشّمسية يكون عندما تسقط أشعة الشّمس عاموديًّا على الألواح الشّمسية لذلك نعدل زاوية ميل الألواح الشّمسية للاقتراب قدر الإمكان من الزاوية 90 بين اللوح الشّمسي والإشعاع الشمسي.[2]

وبما أن السعي وراء الحصول على زاوية عمودية بين الإشعاع الشّمسي ومستوى اللوح الشّمسي كان واحدًا من أهم أهداف العلماء من أجل زيادة كفاءة عمل الخلايا الشّمسية، فقد حاولوا إيجاد مادة قادرة على تتبع الضّوء تلقائيًّا، تمامًا مثل ما تفعله بعض النّباتات من أجل حصد أكبر كمية من الضّوء اللازم لعملية التّركيب الضّوئي مثل زهرة عباد الشّمس، كما في الصّورة الآتية:

نتيجة لذلك، أوجد العلماء العديد من المواد القادرة على تتبع الضّوء لكنها غير قادرة على إتمام المهمة جيدًا وذلك بسبب عدم قدرتها على تنظيم حركتها كما تفعل النباتات، لكن في الآونة الأخيرة أوجدت عالمة المواد  ximin he مع زملائها في جامعة كاليفورنيا مادة تسمى SunBOTs قادرة على المناورة من أجل التقاط 90% من الضّوء السّاقط على سطح بزاوية 75 درجة في الاختبارات التي فعلوها وذلك بسبب قدرتها على تنظيم حركتها، الأمر الذي يعد نقلة نوعية في هذا المجال.

تأتي قدرة مادة SunBOTs على امتصاص الضّوء مع المحافظة على التّنظيم الذّاتي لحركتها من تصميمها المؤلف من بوليمرات جذعية إسطوانية بقطر 1 مم  متضمنة موادَّ معينة قادرة على امتصاص الضّوء وتحويلها إلى حرارة، وبذلك فإن البوليمر يتأثر مع ارتفاع درجة الحرارة.

وهذه صورة توضح آلية تغير انحناء البوليمر مع تغير جهة الضّوء السّاقط عليه:

وجد العلماء أن العديد من المواد قادرة على تحويل الضّوء إلى حرارة فيمكن وضعها ضمن البوليمر لتصميم مادة SunBOTs  وذلك حسب اختلاف ظروف عمل هذه المادة في التّطبيقات المختلفة.[1]

في التجربة التي فعلتها العالمة  ximin he استخدمت المواد النّانوية الذّهبية والهايدروجل، لكن  الاختبارات التي أجريت على مواد أخرى -مثل أكسيد الجرافين المخفض والبوليمرات البلورية السائلة- كشفت أن المكونات يمكن خلطها ومطابقتها. 

إن هذا الاكتشاف يعد نقلة نوعية في مجال الطّاقة الشمسية، حتى إن الاستفادة منه غير محصورة في هذا المجال فقط؛ إذ يمكن استخدامه في صناعة الرّوبوتات وبعض التّطبيقات البيئية وغيرها.

المصادر: 

1- هنا

2- هنا

3- هنا

4- هنا

5- هنا