لماذا تُصنع الألواح الشمسية التابعة لمحطة الفضاء الدولة من الذهب؟
إذا كنت قد رأيت من قبل الألواح الشمسية فمن المؤكد أنك قد لاحظت أنها تكون عادةً باللون الأزرق أو الأسود. لكن، هذه الألوان ليست الحقيقي للألواح الشمسية، فالألواح المتصلة بمحطة الفضاء الدولية هي ذهبية اللون.
لكن ما هو السبب في هذا الاختلاف؟ وهل يؤدي إلى أي فرق في الأداء عند حصد الطاقة الشمسية؟
قبل أن نغوص في تفاصيل الفروقات بين نوعي الألواح الشمسية دعنا نراجع أولًا الوظيفة الأساسية للوح الشمسي.
وظيفة اللوح الشمسي
يعمل اللوح الشمسي على تسخير طاقة الضوء المنبعث من الشمس.
شمسنا مفاعل نووي مذهل، وتبدأ العملية النووية فيها بدمج الهيدروجين والهيليوم. عملية الدمج هذه تطلق كميات كبيرة جدًا من الطاقة على شكل حرارة وضوء. الضوء الذي تبعثه شمسنا يتكون من حزم صغيرة من الطاقة تُعرف بالفوتونات.
وتأخذ هذه الفوتونات حوالي ثماني دقائق ونصف الدقيقة للسفر من الشمس إلى الأرض قاطعةً مسافةً تقارب 149.6 مليون كيلومترًا.
يتحول فيض الفوتونات إلى كهرباء داخل لوح شمسي بسبب التأثير الفولتضوئي Photovoltaic Effect التي اكُتشف للمرة الأولى من قبل أليكساندر إدموند بيكيريل Alexander Edmond Becquerel في الـ19 من عمره، أثناء اختباره كلوريد الفضة في محلول حمضي.
إذ لاحظ أنه إذا وضع قطبين كهربائيين من البلاتينيوم في المحلول وراقب الضوء عند وصوله القطبين، يُنتج جهد كهربائي بين القطبين.
التأثيران الكهروضوئي والفولتضوئي photoelectric and photovoltaic متماثلان في مفهومهما الأساسيين: عند التعرض للضوء، يوجد جهد كهربائي وتيار. الفرق الرئيسي في الاستخدام اللغوي للمفهومين، إذ يستخدم التأثير الكهروضوئي photoelectric عادةً عندما تكون هناك إلكترونات تطلق.
بينما يستخدم مفهوم التأثير الفولتضوئي Photovoltaic لوصف الشحنة المحفزة داخل معدن ما.
تكون الألواح الشمسية زرقاء اللون لأنها مصنوعة من السيليكون أو البوليكريستالين Polycrystalline، والذي يستخدم في صنع الشريط الكهروضوئي photoelectric للوح الشمسي. لكن طيف اللون الأزرق السائد يعود سببه إلى المادة المضادة للانعكاس التي يُطلى بها اللوح.
هذه المادة المضادة للانعكاس تسمح بتحسين كفاءة اللوح الشمسي وزيادة قدرته على امتصاص الضوء.
الألواح الشمسية السوداء والمعروفة أيضًا بالألواح المونوكريستالين Monocrystalline تكون أفضل بالكفاءة، لأن اللون الأسود يمتص الضوء بشكل أفضل.
يُصنع السيليكون المستخدم في الألواح الشمسية (نوع البوليكريستالين) من السيليكون الخام الذي صُهر وسُكب في قوالب مربعة.
هذه العملية لا تجعل السيليكون يصطف بشكل كامل، وهذا يؤدي إلى تشكل الكثير من قطع الكريستال السيليكونية في القالب. طبيعة هذه الكريستالات السيليكونية المفردة تنتج أيضًا المظهر المنقط البرّاق الأزرق للبوليكريستالين.
تؤدي عملية تصنيع خلايا البوليكريستالين إلى إهدار واستخدام أقل للطاقة على عكس عملية إنتاج خلايا المونكريستالين. ونتيجةً لهذا، تكون الألواح الشمسية المصنوعة من البوليكريستالين أقل كلفةً وأكثر استخدامًا.
وبسبب قلة كلفة عملية تصنيع الألواح الشمسية من نوع البوليكريستالين فإن 90% من الألواح المعروضة للبيع حاليًا هي من نوع البوليكريستالين. ونتيجةً لهذا، يكون لمعظم الألواح الشمسية طيفٌ من اللون الأزرق.
السيليكون المستخدم لصنع الألواح الشمسية السوداء يكون أكثر نقاءً ولكن اصطفاف السيليكون فيه يكون مماثلًا لاصطفاف السيليكون في الألواح الشمسية من نوع البوليكريستالين.
الألواح الشمسية الذهبية
مع كون الألواح الشمسية الزرقاء والسوداء فعالة، تعتمد محطة الفضاء الدولية بشكل كامل على صفوفها الشمسية (الصفوف الشمسية هي نوع من الترتيب للألواح الشمسية) ويجب أن تكون من أفضل أنواع الألواح الشمسية.
يفضل اللون الذهبي على اللونين الأزرق والأسود من أجل سببين رئيسيين: الأول هو كون الذهب معدنًا يسهل تطيعه وتسييله مقارنةً بشبه ناقل. والسبب الثاني هو أن الذهب معدن أكثر كفاءةً لنقل الكهرباء، وهو الأمر الذي يعد بالغ الأهمية عند تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.
تكون الصفوف الشمسية في محطة الفضاء الدولية مسؤولةً عن دعم الحياة وأنظمة التحكم وكل الأنظمة الأخرى على متنها. طورت ناسا مع شركائها طريقةً لنشر الصفوف الشمسية بما يعرف باللحاف.
يمكن طي اللحاف وإطلاقه للفضاء وعندما يصل إلى وجهته في المدار يرسل المتحكم في الأرض تعليمات لفتح اللحاف إلى حجمه الكامل. وتسمح عدة محاور مرّكبة على اللحاف بتدوير اللحاف ليواجه الشمس ويوفر أكبر كمية ممكنة من الطاقة للمحطة الفضائية. تكون كل من هذه الصفوف الشمسية بطول 34 مترًا وعرض 12مترًا تقريبًا.
يجب تغيير الصفوف الشمسية التابعة لمحطة الفضاء بشكل مستمر، وإطلاق عدة رحلات فضائية مأهولة من أجل التأكد من صحة إعادة تثبيت هذه الصفوف الشمسية المهمة.
توجد حاليًا أربع مجموعات من الصفوف الشمسية على متن المحطة الفضائية. بإمكان هذه الصفوف توليد من 84 إلى 120 كيلوواط من الكهرباء. يمكن لكمية الكهرباء هذه توفير الطاقة لأربعين منزلًا بسهولة. تولد الصفوف الشمسية طاقةً أكثر مما تحتاجه المحطة الفضائية في أي لحظة من الوقت، ما يعني وجود كمية كافية من الطاقة من أجل أنظمة المحطة والاختبارات التي تجرى عليها في أي وقت.
تستخدم هذه الطاقة الزائدة لشحن بطاريات محطة الفضاء لتستخدم عندما يُحجبُ ضوء الشمس عن المحطة بشكل جزئي أو كلي من قبل ظل الأرض؛ إذ لا تجمع الصفوف الشمسية طاقة الشمس خلال هذه الأوقات، ما يجعل دور البطاريات دورًا محوريًا.
في النهاية، يمكننا القول أنه مع صعوبة تصنيع الألواح الشمسية الذهبية للأهداف اليومية من الاستهلاك الكهربائي. يكون من المهم جدًا أن تحصل هذه المحطة على أفضل ما يمكن تصنيعه من الألواح الشمسية، ففي النهاية هي مصدر الطاقة الأساسي للمحطة.
المصدر: scienceabc – ترجمة: ibelieveinsci
