ثالثاً: التقدم التكنولوجي في مجال الطاقة

1. الأنظمة النووية المستقبلية

مع الصعوبات التي تواجه استمرار العمل بالأنظمة النووية، ونظراً إلى متطلبات الحفاظ على درجة أمان عالية، والمنافسة الاقتصادية الأساسية للطاقة النووية، بدأت إدارة الطاقة الأمريكية Energy U.S Department of، عام 1999، بتفعيل الجيل الرابع من محطات الطاقة النووية، الذي سيستغرق بناؤه عشرين عاماً. وقد بدأ الاهتمام العلمي بمشروع الجيل الرابع، بائتلاف تسع دول، هي: الأرجنتين، والبرازيل، وكندا، وفرنسا، واليابان، وجنوب أفريقيا، وكوريا الجنوبية، والمملكة المتحدة، والولايات المتحدة الأمريكية؛ وتشاركها في التخطيط والتعاون على أبحاث الطاقة النووية المستقبلية وتطويره أنظمتها، لتقابل المتطلبات المستهدفة. وسيعتمد هذا الجيل على ثلاثة أنواع من المفاعلات: مفاعلات تبريد الغاز، مفاعلات تبريد المياه، مفاعلات الطيف السريع.

     أ. مفاعلات تبريد الغاز

يستخدم الغاز، الهليوم أو ثاني أكسيد الكربون، في تبريد قلب المفاعل. وقد بُنِي مفاعل قياسي، تلائم هندسته الجيل الرابع المستهدف، ويعمل بنجاح؛ ولكنه يحقق استخدامات محدودة. ويتابع هذا النظام فريق من المهندسين في الصين، وجنوب أفريقيا، والولايات المتحدة الأمريكية. وتخطط جنوب أفريقيا لبناء عينة كاملة، وتشغيلها بحلول عام 2006. ويعتمد المفاعل الجديد في هندسته على العناصر الرئيسية للوقود، التي تُسمى Pebble-Bed، وهي حصى بلورية، في حجم كرة البليارد، مصنوعة من الجرافيت، وتحتوي على 15 ألف جزء من أكسيد اليورانيوم.

وجزيئات الحصى منتظمة التوزيع، ومغلفة بغلاف ذي كثافة عالية. وتحتوي واحدة من طبقاتها على سيراميك السيليكون كربيد Silicon Carbide Ceramic الخشن، وتؤدي دور وعاء ضاغط، يحفظ المنتجات النووية، المنتشرة أثناء عمل المفاعل. ويوضع نحو 330 ألف جزيء من جزيئات الحصى البلوري في وعاء معدني، تحيط به درع من قوالب الجرافيت؛ إضافة إلى 100 ألف كرة من حصى الجرافيت، توضع في القالب، لتشكل قدرته على توزيع الحرارة، بإبعاد الفواصل بين حصى الوقود الساخنة. وتستخدم المادة المقاومة للحرارة في كلّ مكان بالقلب، لتسمح لنظام الحصى بالعمل في درجة حرارة تفوق 300 سلس (انظر شكل مُفاعل تبريد الغاز).

يعمل وقود الهليوم الموجود في قلب المفاعل، عند درجة 900 سلس. ويغذي خرجه مباشرة توربين غازي، ونظام لتوليد الكهرباء؛ وهي محطات صغيرة، مقارنة بالمحطات الحالية، وبسيطة الهندسية، واقتصادية. وكلّ نموذج من المفاعلات، ينتج 120 ميجاوات من الكهرباء. ويحتوي هذا النظام على 24 نظاماً تكميلياً، مقارنة بمحطات مفاعلات الماء الخفيف، التي تحتوي على 200 نظام. وهذه التكنولوجيا، تتيح إنتاج الهيدروجين من الماء، لاستخدامه في خلايا الوقود ومحركات سيارات النقل النظيفة؛ وهي التكنولوجيا التي تجعل من غاز الهيدروجين وقوداً نظيفاً. والأجيال المستقبلية من هذه المفاعلات، تحتوي على احتياطات أمنية كبيرة.

لا يتفاعل غاز الهليوم، المبرد للمفاعل، مع المواد الأخرى، حتى في درجات الحرارة العالية. ولأن عناصر الوقود، وقلب المفاعل، مصنوعة من مادة مقاومة للحرارة؛ فإنها لا تنصهر. ولكن تقلّ مقاومتها عند درجات الحرارة العالية جداً، التي قد تصل إلى 1600 درجة سلس، في حالة الحوادث؛ ما يُعطي مدى كبيراً من الأمان، وكذلك الإمداد المستمر بالوقود النووي، أثناء عمل المفاعل؛ إذ يعاد شحن القلب بالوقود، أثناء التشغيل، فتنتقل واحدة من الحصى، من قاع القلب، في الدقيقة الواحدة، بمعدل الإمداد بحصى أخرى من القمة نفسه. وبهذه الطريقة، تتحرك كلّ الحصى، بانتظام، من أعلي إلى أسفل، ويعمل المفاعل لمدة ستة شهور بهذه الطريقة، وتعني هذه الميزة أن النظام يحتوي على أفضل قيمة من الوقود للعمل، بأقل تفاعلات انشطار.

ب. مفاعلات تبريد المياه

تأخذ مفاعلات تبريد المياه المستقبلية هندسة جديدة، تهدف إلى التغلب على الحوادث، الناتجة من فقدان المفاعل للتبريد؛ كما حدث في مفاعلي تشيرنوبل، وثري ميل أيلاند. فقد هُندِس الجيل الرابع من هذه المفاعلات هندسة، تجعل كلّ مكوناته الابتدائية في وعاء واحد، ويُغطى نظام التبريد تماماً، من الداخل. وقد جرت عدة تعديلات مدمجة، للوصول إلى تلك الهندسة المحكمة. وتكدست الأنظمة التكميلية في وعاء المفاعل، لتُمكن من انتقال الحرارة، بواسطة دورة طبيعية، أثناء الحوادث؛ إضافة إلى ذلك، فإن قضيب التحكم موضوع في الإناء، ملاشياً إمكانية طرده من القلب. ويمكن هندسة نماذج صغيرة من هذه المفاعلات، تسمح بالمرونة وقلة النفقة (انظر شكل مُفاعل تبريد المياه).

يعمل مهندسو هذه المفاعلات على الحفاظ على أوضاع تشغيل المحطة، في الحرارة العالية، عند درجة 374 درجة سلساً، و221 ضغطاً جوياً؛ وهي الحالة التي تسمى النقطة الحرجة للماء، والتي يصعب عندها التمييز بين السائل والبخار. والميزة في العمل فوق النقطة الحرجة، هي أن الكفاءة الحرارية للنظام، يمكن أن تصل إلى 45%، ويمكن عندها إنتاج وقود الهيدروجين؛ ما يعد أمراً حيوياً. ولكن نقطة الضعف الرئيسية لهذه المفاعلات، هي تأكُّل المبرد؛ وهذا يعني أن مواد جديدة، وطرقاً جديدة للتحكم في التأكُّل، يجب أن تُطَوَّر. وتجرى أبحاث مفاعلات النقطة فوق الحرجة، في كندا، وفرنسا، واليابان، وكوريا الجنوبية، والولايات المتحدة الأمريكية.

ج. مفاعلات الطيف السريع

مفاعلات الطيف السريع Fast Spectrum Reactors، أو ما يسمى كذلك مفاعل الطاقة العالية للنيترون High Energy Neutron، هو نوع آخر من الجيل الرابع، وأبتُكر مثاله في فرنسا، واليابان، وروسيا، وكوريا الجنوبية، وأماكن أخرى. وألغي برنامج الولايات المتحدة الأمريكية لتطويره، عام 1995، ولكنها عادت لتوليه اهتمامها، مع مبادرة الجيل الرابع من المفاعلات. إن معظم المفاعلات النووية، تستعمل الانبعاث الطيفي النيتروني الحراري، أو الطاقة النسبية الصغيرة. ففي تلك الحرارية، يقلل سرعة النيترون ذي الطاقة العالية، والمولد من تفاعلات الانشطار، تصادمه مع الهيدروجين الموجود في الماء.

تُعَدّ هذه المفاعلات اقتصادية في إنتاج الكهرباء، وهي ليست مؤثرة في إنتاج الوقود النووي. ومعظم مفاعلات الطيف السريع، الحديثة، تستخدم الصوديوم السائل في التبريد. ولكن نماذجها المستقبلية، سوف تستخدم الصوديوم والرصاص، وسبيكة الرصاص والبزموت Lead-Bismuth Alloy، أو الغازات الخاملة، مثل الهليوم أو ثاني أكسيد الكربون. ويمكن استخدام نيترونات الطاقة العالية، في المفاعلات السريعة لعمل وقود جديد أو تدمير النفايات المأخوذة من المفاعلات الحرارية؛ وكذلك البلاتينيوم المأخوذ من الأسلحة المفككة. وإعادة تصنيع الوقود في المفاعلات السريعة، تولد طاقة، تفوق تلك المأخوذة من اليورانيوم، وتقلل من كمية النفايات النووية، المراد التخلص منها، في المدى البعيد (انظر شكل مُفاعل الطيف السريع).

إن للمبردات المعدنية عدة خصائص مهمة، أولاها أنها تنقل الحرارة بدرجة عالية جداً؛ ما يسمح بالتبريد الجيد للمفاعل، ويجعله مقاوماً للحوادث مثل حادث مفاعل تشرنوبيل. ولبعض هذه المعادن معامل تأكُّل أقل نوعياً عن الماء؛ ما يساعد على ازدياد عمر التشغيل لوعاء المفاعل. ويمكن هذه الأنظمة العمل قرب الضغط الجوي؛ ما يقلل من الأخطار الكامنة في صناعة المفاعل. يحاول العلماء الاستفادة من ميزات الأنظمة السابقة، وتلاشي عيوبها في الجيل الرابع من مفاعلات الطيف السريع. وأسهم تقدُّم التكنولوجيا في جعل فرصة انصهار مفاعلات الطيف السريع ضئيلة جداً؛ بل إن المبردات غير المتفاعلة، مثل الغازات الخاملة، والرصاص، وسبائك بزموت الرصاص، ربما تلاشي الحاجة إلى نظام تبريد ثانٍ؛ ما يضمن الوصول إلى نقطة اقتصادية حيوية في إنتاجها.

2. إنتاج الطاقة من مصادر جديدة

   أ. الوقود من الإطارات القديمة

يُعَدّ إحراق الإطارات القديمة أكبر تحدٍّ للبيئة. ثمة أكثر من بليون مكان لرمي نفايات الإطارات، بطريقة غير شرعية؛ وتضاف إلى هذه الكومة، سنوياً، 250 مليون إطار. ولعشرات السنوات، كان المستهدف الاستفادة من الطاقة الكامنة في الإطارات. وقد ابتُكِرت في التخلص منها طريقة صديقة للبيئة، وفي الوقت نفسه، مفيدة اقتصادياً؛ قوامها تسخين الإطارات الممزقة، في الفراغ، مع اصطياد الملوثات، وتجميع المواد المتطايرة، وتكثيفها، لاستخراج الزيوت ووقود ديزل عالي الجودة، يستخدم في إمداد النظام نفسه بالطاقة اللازمة، ويباع الباقي، بينما يخزن جزء، لتشغيل المولدات الكهربائية، في ساعات الذروة (انظر شكل توليد الكهرباء من الإطارات القديمة).

ب. الطاقة من باطن الأرض

يمكن الحصول على الطاقة من الأرض على طاقة متجددة وغير ملوثة؛ إذ كلمّا ازداد حفْرها، ازداد ارتفاع الحرارة. وقد أكد مخترع هذه الطريقة، دويل دويل برويجتنون Doyle W. Brewington، أن إدخال أنبوب، قطره 28 بوصة، وطوله 85 قدماً، إلى عمق أرضي، تزيد حرارته على حرارة السطح، بمقدار 220 فهرنهيت ـ سيكون كافياً لإنتاج ميجاوات واحد من الكهرباء، يفي بتغذية 600 منزل. والأعمال التي تسودها درجة الحرارة 220 فهرنهيت، تختلف باختلاف جيولوجيا الأرض؛ ففي المناطق البركانية، يكون العمق قريباً من سطح الأرض؛ ويبلغ في مناطق أخرى مئات الأقدام. وقد أنشأ المخترع محطة تجريبية، طاقتها ميجاوات واحدة (انظر شكل الطاقة من باطن الأرض).

وينماز استخراج الطاقة من باطن الأرض، بأنه لا يحتاج إلى عمليات ثانوية أخرى، مثل: عمليات التعدين، والإعداد المسبق قبل التسويق، ووسائل لنقله أو تخزينه. وعلى الرغم من أن الطاقة الحرارية لباطن الأرض، لم تستغل، استغلالاً جاداً، ولا واسعاً، فإن هناك آمالاً عريضة، يروج استغلالها؛ لتوافرها في كلّ مكان، ونظافتها الناجمة عن أنها لا تخلف أي تلوث. ويعتقد العلماء أنها قد توفر 10 ـ 15% من الطاقة اللازمة، في بعض الدول الصناعية.

     ج. الوقود من الجينات

أثبت باحثو علم النبات، في جامعة ميونيخ، في ألمانيا، أن لبعض النباتات قدرة على تكوين ثمار ذات غدد راتنجية، تكوِّن مواد نفطية، وتفرزها. ويدرس العلماء جينيوم هذه النباتات، لتحليل الجينات المسؤولة عن تكوين تلك المواد وعزلها، واستخدامها في تحديد جينيوم العديد من الأطقم الوراثية النباتية الأخرى، لإنتاج كميات كبيرة من النفط النباتي؛ ما يوفر مصدراً دائماً ونقياً للطاقة.

د. توليد الطاقة بواسطة الروبوت

تمكن علماء أمريكيون من إيجاد إنسان آلي يحصل، على الطاقة من أكل اللحوم، اسمه "تشو تشو"؛ فيه بطارية، تؤدي دور الأمعاء، فتحلل الغذاء وتحوِّل الطاقة الكيماوية إلى أخرى كهربائية. ويحاول العلماء إيجاد روبوت نباتي، يرعى الحدائق ويأكل حشائشها؛ ويراقب أعماق المياه، من دون الحاجة إلى مصدر للطاقة؛ إذ سيتغذى بالأسماك، لتوليد ما يحتاج إليه منها.

هـ. حذاء يولد الطاقة

تجري الأبحاث على تطوير حذاء، يولد طاقة كهربائية، عند التجوال به. فعندما تفرغ البطارية الخاصة بجهاز لاسلكي، مثلاً، ليس على صاحبه إلا السير بهذا الحذاء، فيتولد، في كلّ خطوة يخطوها، نحو نصف وات، يشحن بها جهازه؛ وتجري الأبحاث لزيادتها إلى واتَين اثنَين. ويغْني هذا الاختراع عن ادخار البطاريات. وقوام فكرته وجود شرائح من البوليمر تشبه قرص العسل (انظر شكل حذاء يولد الطاقة)، في النعل، وبطارية صغيرة، تشحن كلّ جانب منها. وعندما يسير المر ء، تنضغط تلك الشرائح وتنبسط، ويحوّل البوليمر هذه الحركة إلى كهرباء، تفوق طاقتها البطارية الموضوعة للحذاء. وقد يمسي الإمداد بالكهرباء رهناً بالسير على الأقدام.

3. مستجدات الطاقة الشمسية

    أ. أول سفينة سياحية

صُنعت أول سفينة أسترالية، تعمل بالطاقة الشمسية؛ وهي من اختراع الأسترالي روبرت دان Robert Dane. ترفع الألواح الشمسية على قِمتها، ويتحكم حاسب آلي في تعرّضها للشمس، ومراعاة شدة الرياح واتجاهها. ويبلغ طول السفينة 70 قدماً، وتصل سرعتها، في الأيام الصافية، إلى 6 عقد. وعندما تكون السماء ملبدة بالغيوم، والرياح هادئة، يساعد النظام الشمسي مولد كهربائي (انظر صورة سفينة بالطاقة الشمسية).

ب. طائرة للارتفاعات العالية

أمكن وضع طائرة، لا بشر فيها، على ارتفاع 96500 قدم، تعمل بالطاقة الشمسية؛ هندستها شركة إيروفيرونمنت، لمصلحة وكالة الفضاء الأمريكية "ناسا" NASA. وتغذي الخلايا الشمسية 14 محركاً كهربائياً، تحرك الطائرة ليلاً، وتتحكم في هبوطها. وتأمل "ناسا" أن يستمر تحليق الطائرة عدة شهور؛ وإنتاج أنواع جديدة، للاستخدام التجاري، تُتخذ محطة لإعادة إذاعة للمواصلات اللاسلكية، بدلاً من الأقمار الصناعية (انظر صورة طائرة بالطاقة الشمسية).

ج. جرافة إلى المريخ

سوف تحفر سطح المريخ جرافات، تعمل بالطاقة الشمسية، تزن الواحدة منها ثمانية أرطال. وهي تعمل في جماعات، وتحفر وتزيل التكوينات العالقة بالصخور؛ وتديرها تعليمات المحطات الأرضية المتصلة بها. وتمتاز هذه المركبات بذكاء، يجعلها قادرة على اتخاذ القرارات المؤثرة بنفسها.

4. الكُبُوْل الحرارية فائقة التوصيل

تتمتع الكُبُوْل الحرارية فائقة التوصيل High Temperature Superconducting HTSC بعدم مقاومة التيار الكهربائي، ويمكن الاعتماد عليها، ولا تحتاج إلى أعمال صيانة كثيرة، مقارنة بنظيرتها المعروفة الآن. وسوف تُستخدم في نقل الكهرباء، في المستقبل القريب. وسوف تسهم في انخفاض الطاقة، التي تستهلكها القُطُر اليوم.

كانت البداية حينما بادر علماء شركة "سيمنس" إلى غمس جزيئات، يصل حجمها إلى الميكرون، من مادة السيراميك الهش Brittle Ceramic، في سبيكة من الفضة؛ وبعد عدة مراحل، من الدحرجة والتلدين، تُحول المادة إلى أسلاك. ولعمل كُبُوْل من هذه الأسلاك، استخدم العلماء التكنولوجيا المستخدمة في عمل المحولات، حيث تتحول عدة شرائح من هذه الموصلات إلى كبْل مستو من السلك المجدول؛ وقد مهدت هذه الطريقة لإنتاج لسعات كبيرة وكُبُوْل قليلة الفقد (انظر صورة الكابلات فائقة التوصيل).

تحاول جماعة من المهندسين أن تجدل 13 سلكاً في كبْل واحد، طوله 400 متر، ثم تحويل الكُبُوْل إلى نظام محولات فائقة التوصيل، بقدرة خرج، تصل إلى ميجا فولت أمبير، كافية لحركة قطار مسافرين. وتستخدم تكنولوجيا جديدة في تقليل وزن المحول، من دون أيّ تغير في قدرة خرجه. وتصل كفاءة المحول إلى 98%، بينما تصل كفاءة المحولات العادية إلى 90%.