جامعة يونان ومعهد أبحاث جنوب غرب الصين يطوران خلايا شمسية تحت الماء تعمل بثبات على عمق 10 أمتار في بحر الصين الجنوبي

نجح باحثون من جامعة يونان ومعهد أبحاث جنوب غرب الصين في عرض خلايا شمسية تحت الماء فعالة تعمل على عمق 10 أمتار (حوالي 33 قدمًا) في بحر الصين الجنوبي. هذا الإنجاز كسر الحدود السابقة. فشلت المحاولات السابقة لجمع الطاقة الشمسية تحت الماء في المياه الضحلة التي يقل عمقها عن 2 متر، على الرغم من أن ضوء الشمس لا يزال وفيرًا هناك، لكن التطبيقات العملية كانت نادرة نسبيًا. مع العمر التشغيلي المقدر بحوالي 5.5 سنوات، قد توفر هذه التقنية في النهاية مصدر طاقة موثوقًا وطويل الأمد للأنظمة البحرية النائية. وأظهرت الأبحاث أن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية تحت الماء يمكن أن توفر مصدر طاقة قابلاً للتطبيق لأجهزة الاستشعار تحت الماء والكاميرات وأنظمة الاتصالات.

قال مؤلف الدراسة تشانغ ونهوا: "التقارير البحثية حول الخلايا الشمسية تحت الماء نادرة للغاية، والأبحاث الحالية تركز فقط على المياه الضحلة جدًا بعمق مترين فقط، وهو سيناريو بعيد كل البعد عن تلبية احتياجات التطبيقات العملية." وأضاف: "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تحقيق التحقق الوظيفي للخلايا الشمسية تحت الماء على عمق حوالي 10 أمتار، مما يوسع بشكل كبير نطاق تطبيقها."

الاختراق التكنولوجي للخلايا الشمسية تحت الماء

تم تصميم الخلايا الشمسية التجارية القياسية من السيليكون لالتقاط ضوء الشمس الواسع على الأرض، وخاصة الأشعة تحت الحمراء. تحت الماء، تفقد خلايا السيليكون معظم كفاءتها. عادةً ما يكون جمع الطاقة بواسطة الخلايا الشمسية تحت الماء صعبًا بسبب الانخفاض السريع في شدة الضوء تحت الماء، مما يشكل عقبة أمام تطبيقات مثل مراقبة تربية الأحياء المائية. ولحل هذه المشكلة، صمم فريق تشانغ خلايا شمسية واسعة النطاق لتحسين نطاق الفجوة لالتقاط أطوال موجات الضوء الأزرق إلى البرتقالي التي تخترق مياه البحر بشكل أفضل. ومن خلال التقاط الضوء البيئي تحت السطح، توفر الخلايا الشمسية تحت الماء حلاً ثوريًا لتقييد الطاقة الذي طال أمده في تقنيات المحيط.

في غضون ساعتين فقط على عمق 10 أمتار، أنتجت هذه الخلايا طاقة تبلغ 324 mWh، وهو ما يكفي لشحن بطارية ليثيوم أيون قياسية. توفر الخلايا الشمسية تحت الماء مصدر طاقة ذاتي الاكتفاء مناسبًا لأجهزة الاستشعار البيئية وأجهزة المراقبة والكاميرات وأجهزة الاتصالات بعيدًا عن الشاطئ، مما يلغي الحاجة إلى الاتصالات السلكية المكلفة واستبدال البطاريات المتكرر.

في ظل ظروف محاكاة، أظهرت هذه الخلايا المصممة خصيصًا متانة استثنائية، حيث احتفظت بفعاليتها بحوالي 96% بعد 300 يوم من التخزين. بالإضافة إلى ذلك، لم تظهر الخلايا الأولية أي تدهور يذكر خلال 1,160 ساعة في ظروف محاكاة لعمق 10 أمتار. وأشار تشانغ إلى أن "أكثر ما أدهشنا هو أن وحداتنا ذات المساحة الكبيرة أنتجت الكثير من الطاقة في ظروف حقيقية على عمق 10 أمتار في غضون ساعتين فقط. علاوة على ذلك، قمنا بتحقيق التوسع من خلايا المختبر ذات المساحة الصغيرة إلى الوحدات الكبيرة. إن الجمع بين البحث المختبري والتجارب الميدانية يوفر دليلاً قويًا على جدوى الطاقة الشمسية تحت الماء."

التحديات المستقبلية واتجاهات التطوير

أحد التحديات المستقبلية هو أن هذه الخلايا يجب أن تحقق توازنًا بين المتانة العالية ونقل الضوء الواضح للحفاظ على فعاليتها على المدى الطويل. بالإضافة إلى ذلك، فإن نشر الطاقة الشمسية تحت الماء يتطلب التغلب على الظروف القاسية مثل الملوحة المسببة للتآكل والضغط والاختراق المائي. وفي الخطوة التالية، يخطط الفريق للغوص في الظلام لاختبار مدى عمق التكنولوجيا الشمسية التي يمكن أن تصل إليها، مع وضع الأساس لبروتوكولات الاختبار القياسية للخلايا الكهروضوئية تحت الماء. وقد تم نشر البحث في مجلة "Joule".

إمكانيات وتحديات تطبيق الخلايا الشمسية تحت الماء

يمثل تطوير الخلايا الشمسية تحت الماء بنجاح خطوة كبيرة إلى الأمام في تكنولوجيا المحيطات، خاصة فيما يتعلق بإمدادات الطاقة في المناطق النائية. لا توفر هذه التقنية حلاً لتقييد إمدادات الطاقة التقليدية فحسب، بل توفر أيضًا دعمًا طويل الأمد للطاقة لأجهزة الاستشعار تحت الماء وأجهزة المراقبة. ومع ذلك، فإن مواجهة تحديات البيئة القاسية، مثل الملوحة المسببة للتآكل والضغط، سيتطلب من أعمال البحث والتطوير المستقبلية إيجاد أفضل توازن بين المتانة وكفاءة نقل الضوء، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيق العملي للتكنولوجيا.