المحار العملاق يمكن أن يُلهم تصميم أنظمة أفضل للطاقة الشمسية

يمكن لمصممي الألواح الشمسية والمصافي الحيوية أن يتعلموا شيئا أو اثنين من المحار العملاق قزحي الألوان الذي يعيش بالقرب من الشعاب المرجانية الاستوائية، وفقا لدراسة جديدة.

وذلك لأن المحار العملاق لديه هندسة دقيقة - أعمدة رأسية ديناميكية من مستقبلات التمثيل الضوئي مغطاة بطبقة رقيقة متناثرة للضوء - ما قد يجعلها أكثر أنظمة الطاقة الشمسية كفاءة على الأرض، بحسب تقرير للكاتب جيم شيلتون من جامعة ييل، ترجمته "عربي21".

تقول أليسون سويني، الأستاذة المشاركة في الفيزياء وعلم البيئة وعلم الأحياء التطوري في جامعة ييل: "إنه أمر غير بديهي بالنسبة لكثير من الناس، لأن المحار يعمل في ضوء الشمس الشديد، لكنه في الواقع مظلم للغاية من الداخل".

تقول سويني: "الحقيقة هي أن المحار أكثر كفاءة في تحويل الطاقة الشمسية من أي تكنولوجيا ألواح شمسية موجودة".

اظهار أخبار متعلقة

وفي الدراسة الجديدة التي نشرت في مجلة PRX:Energy، يقدم فريق بحثي بقيادة سويني نموذجا تحليليا لتحديد أقصى كفاءة لأنظمة التمثيل الضوئي بناء على الخصائص الهندسية والحركية وتشتت الضوء لدى المحار العملاق.

إنها الأحدث في سلسلة من الدراسات البحثية التي أجراها مختبر سويني والتي تسلط الضوء على الآليات البيولوجية من العالم الطبيعي التي يمكن أن تلهم مواد وتصميمات مستدامة جديدة.

في هذه الحالة، نظر الباحثون على وجه التحديد إلى إمكانات الطاقة الشمسية المثيرة للإعجاب لدى المحار العملاق قزحي الألوان في المياه الضحلة في بالاو في غرب المحيط الهادئ.

المحار يعتمد على التعايش الضوئي، حيث تنمو على سطحه أسطوانات عمودية من الطحالب أحادية الخلية. تمتص الطحالب ضوء الشمس، بعد تشتيت الضوء عبر طبقة من الخلايا تسمى الخلايا القزحية.

ويقول الباحثون إن هندسة الطحالب وتشتت الضوء في الخلايا القزحية مهمان. إن ترتيب الطحالب في أعمدة رأسية - ما يجعلها موازية للضوء الوارد - يمكّن الطحالب من امتصاص ضوء الشمس بالمعدل الأكثر كفاءة. وذلك لأن ضوء الشمس قد تم ترشيحه وتشتيته بواسطة طبقة الخلايا القزحية، ثم يلتف الضوء بشكل موحد حول كل أسطوانة طحالب عمودية.

واستنادا إلى هندسة المحار العملاق، طورت سويني وزملاؤها نموذجا لحساب الكفاءة الكمية، أي القدرة على تحويل الفوتونات إلى إلكترونات. وأخذ الباحثون في الاعتبار أيضا التقلبات في ضوء الشمس، استنادا إلى يوم نموذجي في المناطق الاستوائية مع شروق الشمس وكثافة الشمس في منتصف النهار وغروبها. وكانت الكفاءة الكمية 42%.

ولكن بعد ذلك أضاف الباحثون تجعدا جديدا: الطريقة التي يتمدد بها المحار العملاق كرد فعل للتغيرات في ضوء الشمس.

تقول سويني: "يحب المحار التحرك والتجعد طوال اليوم. هذا التمدد يحرك الأعمدة العمودية بعيدا عن بعضها البعض، ما يجعلها أقصر وأوسع".

وبفضل هذه المعلومات الجديدة، قفزت الكفاءة الكمية لنموذج المحار إلى 67%. وبالمقارنة، تقول سويني، إن الكفاءة الكمية لنظام الأوراق الخضراء في بيئة استوائية تبلغ حوالي 14% فقط.

ووفقا للدراسة، فإن المقارنة المثيرة للاهتمام ستكون غابات التنوب الشمالية. ويقول الباحثون إن غابات التنوب الشمالية، المحاطة بطبقات متقلبة من الضباب والسحب، تشترك في أشكال هندسية وآليات تشتت الضوء مماثلة للمحار العملاق، ولكن على نطاق أوسع بكثير. وكفاءتها الكمية متطابقة تقريبا.

اظهار أخبار متعلقة

تقول سويني: "أحد الدروس المستفادة من هذا هو مدى أهمية مراعاة التنوع البيولوجي بشكل عام. أنا وزملائي مستمرون في تبادل الأفكار حول أي مكان آخر على الأرض يمكن أن يحدث فيه هذا المستوى من كفاءة الطاقة الشمسية. ومن المهم أيضا أن ندرك أننا لا نستطيع دراسة التنوع البيولوجي إلا في الأماكن التي يتم الحفاظ عليه فيها".

وتضيف: "نحن ندين بدين كبير لسكان بالاو، الذين يضعون قيمة ثقافية حيوية على المحار والشعاب المرجانية ويعملون على الحفاظ عليها في حالة صحية نقية".

قد توفر مثل هذه الأمثلة الإلهام والرؤى لتكنولوجيا الطاقة المستدامة الأكثر كفاءة.

وتوضح سويني أنه "يمكن للمرء أن يتصور جيلا جديدا من الألواح الشمسية التي تنمو الطحالب، أو الألواح الشمسية البلاستيكية الرخيصة المصنوعة من مادة قابلة للتمدد".