Bill Schweber

نحن دائمًا نسعى لجني الطاقة من مصادر متنوعة تُعد مجانية مثل الرياح والماء والطاقة الشمسية، وحتى الاحتمالات الأقل كثافة مثل الاهتزاز والاحتكاك. ثم هناك ضربات البرق التي تُعد مصادر طاقة محتملة تُهدر، بالإضافة إلى كونها غالبًا مدمرة. “ضربات البرق شائعة بشكل مدهش؛ فقد تم إطلاق القمر الاصطناعي الأوروبي (ميتيوسات الجيل الثالث) في ديسمبر مزودًا بكاميرات يمكنها تتبع وتسجيل ضربات البرق، حتى أصغرها وأسرعها، ليلًا ونهارًا، على أكثر من 80 بالمئة من سطح الأرض”.

هل يمكن أن يتغير وضع هدر الطاقة هذا؟ من غير المرجح. ولكن كما نعلم، لا نقول أبدًا “مستحيل” عندما يتعلق الأمر بالتكنولوجيا والتقدم. في يناير الماضي، نشر فريق أوروبي بحثًا مثيرًا للاهتمام في مجلة Nature Photonics بعنوان بسيط بشكل مدهش “البرق الموجه بالليزر”. وقد أوضحوا كيف قاموا بإطلاق نبضات متكررة من ليزر عالي القوة لتوجيه ضربات البرق التي كانت على بعد يصل إلى ميلين إلى قضيب مؤرض صغير بالقرب من موقعهم في جبال سويسرا.

تثير هذه القدرة على توجيه ضربة البرق سؤالًا واضحًا: لماذا لا يتم توجيه هذه الطاقة إلى نوع من أنظمة تخزين الطاقة “ESS”؟ بعد كل شيء، تُهدر هذه الطاقة في الواقع لأنها تُفرغ حرفيًا في الأرض. لقد رأيت حتى ما يسمى بـ”الخبراء” يقترحون هذا كمصدر طاقة منخفض التكلفة أو بدون تكلفة.

ليت الأمر كان بهذه السهولة. السؤال الجيد الأول هو: كم كمية الطاقة والقوة الموجودة في ضربة البرق؟ الإجابة تتراوح على نطاق واسع، ولكن وفقًا لتيس لايت في مجموعة الفضاء والاستشعار عن بُعد في مختبر لوس ألاموس الوطني، فإن البرق “قوي بشكل لا يصدق وسريع جدًا” وكل ضربة توفر حوالي خمسين ألف أمبير في غضون ميكروثوانٍ، مع ضربة بقوة ميجا فولت.

علاوة على ذلك، بينما توفر كل ضربة حوالي خمسة أو عشرة جيجا جول من الطاقة “واحد جيجا جول = 10^9 جول”، يُفقد الكثير من تلك الطاقة في تسخين الهواء وبالتالي لا يمكن تحويلها إلى طاقة كهربائية “مستدامة”. “لإعطائك فكرة عن الحجم، تحتوي بطارية سيارة كهربائية كبيرة على سعة حوالي 100 كيلوواط ساعة، أو 3.6 × 10^8 جول”. لذا، على الرغم من أن البرق يبدو وكأنه يحتوي على الكثير من الطاقة، فإنه في الواقع ليس كثيرًا وستحتاج إلى العديد من الضربات.

لماذا لا نجعل الأمر بسيطًا، ونستخدم قضيب برق بسيطًا وغير نشط تمامًا؟ الإجابة تتعلق بنطاق فعالية قضيب البرق.

على الرغم من أن الرقم الدقيق يعتمد على الظروف الجوية وظروف الأرض وغيرها، فإن الدليل العام هو أن القضيب القياسي يمكنه جذب البرق ضمن نصف قطر يساوي ارتفاعه. وبالتالي، ستحتاج إلى “مزرعة” كبيرة من قضبان البرق مع مزيج من مساحة كبيرة من الأرض وقضبان طويلة. إن النظام القائم على الليزر يزيد من منطقة الالتقاط ويقلل من متطلبات ارتفاع القضيب.

هناك مسألة أخرى: هل توجيه البرق عبر الليزر يستحق العناء من وجهة نظر توازن الطاقة؟ حتى لو كان ذلك ممكنًا تقنيًا، فإن النظام القائم على الليزر له عيب كبير خاص به، حيث يستهلك الكثير من الطاقة. استخدم الباحثون ليزر Yb:YAG يصدر نبضات بيكوثانية بطاقة 500 ميجا جول بطول موجي 1.030 نانومتر ومعدل تكرار 1 كيلوهرتز. بعبارة أخرى، كانت تكلفة الطاقة لتشغيل الليزرات أكبر من الطاقة الملتقطة من البرق.

هذا الخلل يشبه إلى حد ما التقرير الأخير عن “النجاح” في الاندماج من منشأة الإشعال الوطنية “NIF” في كاليفورنيا. لقد جرى تركيز حوالي 2 ميجا جول من الطاقة من مئات الليزرات على كبسولة صغيرة من وقود الاندماج، مما أدى إلى انفجار أنتج حوالي 3 ميجا جول من الطاقة. في حين أن هذا يُعد اختراقًا من نواحٍ عديدة واستغرق سنوات “وأموالًا” لتحقيقه، فإن نظام تشغيل الليزر نفسه فعال بنسبة 1% فقط، لذا كانت هناك حاجة إلى حوالي 200 ميجا جول كإجمالي طاقة المشروع المدخلة، وهي معادلة غير رابحة.

حتى لو كانت معادلة الطاقة مواتية لجني البرق، فإنها لا تزال لا تعالج مشكلة مستعصية أخرى بين البرق الملتقط وأي نظام تخزين طاقة معروف. كيف يمكنك إدخال هذه الكمية الكبيرة من الطاقة “معدل نقل الطاقة” إلى البطارية؟ لا يوجد حاليًا بطارية أو نظام تخزين طاقة يمكنه تحمل تلك الاندفاعة الهائلة من الطاقة، وهذا هو الأمر.

بالطبع، الخطوة التالية في مثل هذا البحث تتطلب دائمًا “أكبر” و”أكثر مالًا”. ونُقل عن الباحث الرئيسي في التقارير الإخبارية قوله إنهم يرغبون في زيادة المسافة التي يمكن أن يوجه فيها الليزر البرق إلى مئات الأمتار. هذا ممكن نظريًا باستخدام ليزر أكبر وأقوى، لكن الليزر النموذجي المستخدم في هذا العرض التوضيحي كلف ملياري يورو. “إذا كان ذلك خارج ميزانيتك، فقد تضطر إلى الالتزام بشيء أبسط، مثل كاشف البرق المصنوع يدويًا بأربعة ترانزستورات”.

هناك رابط تاريخي مثير للاهتمام مع هذه القصة الكاملة حول التقاط البرق. قبل وجود الكهرباء التيار المتدفق كما نستخدمها اليوم، قام بنجامين فرانكلين بالفعل بالتقاط بعض الطاقة من البرق في جرة لايدن “نوع مبكر من المكثفات” خلال تجربته الشهيرة بالطائرة الورقية. هذا ليس أسطورة أو خرافة، فقد تم توثيقه بشكل صحيح في ذلك الوقت.

قام فرانكلين بتقسيم السلك النازل للطائرة الورقية إلى دوائر مختلفة. في إحدى الدوائر، استخدم خيط قنب مبلل كموصل لجرة لايدن. أما في الدائرة الأخرى، استخدم خيط حريري عازل لابنه الذي كان يطير الطائرة الورقية، والذي بقي في السقيفة لئلا يبتل. نجح في إظهار العلاقة بين الكهرباء الساكنة والبرق قبل أن يتم فهم الكهرباء “الساكنة أو غيرها” أو أن يكون لها أي استخدامات عملية.

أما بالنسبة إلى جني البرق اليوم، فيبدو أن القصة هي نفسها: بغض النظر عن مدى جاذبيته في البداية، فإن جني الطاقة على نطاق واسع ليس بالأمر السهل، ولا يوجد “شيء مجاني” هناك.

إعداد: وحدة الترجمات بمركز سمت للدراسات
المصدر: END ASIA