لقد كان التطور التقني الهائل هو السمة الفريدة في القرن العشرين الذي ودعناه قبل بضع سنوات ، و قد أجمع الخبراء على أن أهم تطور تقني في النصف الأخير من القرن السابق هو اختراع إلكترونيات السيليكون أو الترانزيستور والمعامل الإلكتروني ، فقد أدى تطويرها إلى ظهور ما يسمى بالشرائح الصغرية أو الـ(MicroChips) والتي أدت إلى ثورة تقنية في جميع المجالات كالاتصالات و الحواسيب والطب وغيرها . فحتى عام 1950 لم يوجد سوى التلفاز الأبيض و الأسود ، وكانت هناك فقط عشرة حواسيب في العالم أجمع . ولم تكن هناك هواتف نقالة أو ساعات رقمية أو انترنت ، كل هذه الاختراعات يعود الفضل فيها إلى الشرائح الصغرية و التي أدى ازدياد الطلب عليها إلى انخفاض أسعارها بشكل سهل دخولها في تصنيع جميع الإلكترونيات الاستهلاكية التي تحيط بنا اليوم . و خلال السنوات القليلة الفائتة ، برز إلى الأضواء مصطلح جديد ألقى بثقله على العالم وأصبح محط الاهتمام بشكل كبير ، هذا المصطلح هو “تقنية النانو” .

لازالت هذه التقنية قيد التطوير حيث أنه لتطوير أي تكنولوجيا ومنها النانوتكنولوجي يجب أن يتوفر الحافز الاقتصادي أي أن السوق هو الذي يحكم هذا التطور, وإذا لم تتوفر المطالبات من السوق فإن النانو تكنولوجي ستبقى في أدراج العلماء وعلى صفحات الكتب.

2- تعاريف:

2-1 النانو :

يعني مصطلح نانو الجزء من المليار ؛ فالنانومتر هو واحد على المليار من المتر و لكي نتخيل صغر النانو متر نذكر ما يلي ؛ تبلغ سماكة الشعرة الواحدة للإنسان 50 ميكرومترا أي 50,000 نانو متر, وأصغر الأشياء التي يمكن للإنسان رؤيتها بالعين المجردة يبلغ عرضها حوالي 10,000 نانو متر ، وعندما تصطف عشر ذرات من الهيدروجين فإن طولها يبلغ نانو مترا واحدا فيا له من شيء دقيق للغاية.

2-2 التقنية النانوية ” Nanotechnology” أو تقنية الصغائر:

: هي دراسة وابتكار تقنيات و وسائل جديدة تقاس أبعادها بالنانومتر وهو جزء من الألف من الميكرومتر أي جزء من المليون من الميليمتر. عادة تتعامل التقنية النانوية مع قياسات بين 0.1 إلى 100 نانومتر أي تتعامل مع تجمعات ذرية تتراوح بين خمس ذرات إلى ألف ذرة. وهي أبعاد أقل كثيرا من أبعاد البكتيريا والخلية الحية . ولكنها حتى الأن لا تختص بعلم الأحياء بل تهتم بخواص المواد.

أي أن تقنية النانو هي مجال العلوم التطبيقية والتقنية والتي تغطي مجموعة واسعة من المواضيع. اﻷمر المشترك بينها أو موضوعها الرئيسي هو السيطرة على أي أمر من حجم أصغر من الميكروميتر ، كذلك تصنيع الأجهزة نفسها بهذا المقياس. وهو ميدان متعدد الاختصاصات العالية ، ويستفيد من المجالات مثل علم الفيزياء والكيمياء. هناك الكثير من التكهنات حول ما قد تنتج عن هذه الخطوط البحثية. النانو يتخلل مجالات عديدة ، بما فيها العلوم والكيمياء والبيولوجيا والفيزياء التطبيقية. فإنه يمكن أن يعتبر امتدادا للعلوم القائمة ، أو إعادة صياغة العلوم القائمة باستخدام أحدث وأكثر الوسائل عصريةً.

2-3 علم النانو :

هو دراسة خواص الجزيئات والمركبات التي لا يتجاوز مقاييسها الـ100 نانو متر.

2-4 مقياس النانو:

يشمل الأبعاد التي يبلغ طولها نانومترا واحدا إلى غاية الـ100 نانو متر وهذا التحديد بالقياس يقابله اتساع في طبيعة المواد المستخدمة. فالتقنية النانوية تتعامل مع أي ظواهر أو بنيات على المستوى النانوي المتناهي الصغر .

مثل هذه الظواهر النانوية يمكن أن تتضمن تقييد كمومي quantum confinement التي تؤدي إلى ظواهر كهرومغناطيسية و بصرية جديدة للمادة التي يبلغ حجمها بين حجم الجزيئ و حجم المادة الصلبة المرئي . تتضمن الظواهر النانوية أيضا تأثير جيبس-تومسون – و هو انخفاض درجة انصهار مادة ما عندما يصبح قياسها نانويا ، اما عن البنيات النانوية فأهمها الأنابيب النانوية الكربونية.

الأمر الفريد في مقياس النانو أو الـ”Nano Scale” هو أن معظم الخصائص الأساسية للمواد و الآلات كالموصلية الحرارية أو الكهربائية ، والصلابة ونقطة الانصهار تعتمد على الحجم (size dependant) بشكل لا مثيل له في أي مقياس آخر أكبر من النانو ، فعلى سبيل المثال السلك أو الموصل النانوي الحجم لا يتبع بالضرورة قانون أوم الذي تربط معادلته التيار والجهد والمقاومة ، فهو يعتمد على مبدأ تدفق الالكترونات في السلك كما تتدفق المياه في النهر ؛ فالإلكترونات لا تستطيع المرور عبر سلك يبلغ عرضه ذرة واحدة بأن تمر عبره إلكترونا بعد الآخر. إن أخذ مقياس الحجم بالاعتبار بالإضافة إلى المبادئ الأساسية للكيمياء والفيزياء والكهرباء هو المفتاح إلى فهم علم النانو الواسع.

2-5 ضآلة متناهية:

 لنتخيل شيئا في متناول أيدينا على سبيل المثال مكعب من الذهب طول ضلعه متر واحد ولنقطعه بأداة ما طولا وعرضا وارتفاعا سيكون لدينا ثمانية مكعبات طول ضلع الواحد منها 50 سنتيمترا ، وبمقارنة هذه المكعبات بالمكعب الأصلي نجد أنها ستحمل جميع خصائصه كاللون الأصفر اللامع و النعومة وجودة التوصيل ودرجة الانصهار وغيرها من الخصائص ماعدا القيمة النقدية بالطبع ، ثم سنقوم بقطع واحد من هذه المكعبات إلى ثمانية مكعبات أخرى ، سيصبح طول ضلع الواحد منها 25 سنتيمترا وستحمل نفس الخصائص بالطبع ، و سنقوم بتكرار هذه العملية عدة مرات وسيصغر المقياس في كل مرة من السنتيمتر إلى المليمتر وصولا إلى الميكرومتر . وبالاستعانة بمكبر مجهري وأداة قطع دقيقة سنجد أن الخواص ستبقى كما هي عليه وهذا واقع مجرب في الحياة العملية, فخصائص المادة على مقياس الميكرومتر فأكبر لا تعتمد على الحجم . عندما نستمر بالقطع سنصل إلى ما أسميناه سابقا مقياس النانو ، عند هذا الحجم ستتغير جميع خصائص المادة كلياً بم فيها اللون والخصائص الكيميائية ؛ وسبب هذا التغير يعود إلى طبيعة التفاعلات بين الذرات المكونة لعنصر الذهب ، ففي الحجم الكبير من الذهب لا توجد هذه التفاعلات في الغالب, ونستنتج من ذلك أن الذهب ذو الحجم النانوي سيقوم بعمل مغاير عن الذهب ذي الحجم الكبير .

3- صعوبات التقنية المتناهية الصغر:

وتكمن صعوبة التقنية النانوية في مدى إمكانية السيطرة على الذرات بعد تجزئة المواد المتكونة منها. فهي تحتاج بالتالي إلى أجهزة دقيقة جدا من جهة حجمها ومقاييسها وطرق رؤية الجزيئات تحت الفحص . كما أن صعوبة التوصل إلى قياس دقيق عند الوصول إلى مستوى الذرة يعد صعوبة أخرى تواجه هذا العلم الجديد الناشئ.

عودة إلى موضوع الشرائح الصغرية ، قد يكون من المناسب أن نذكر القانونين التجريبين الذين وضعهما جوردون مور رئيس شركة إنتل العالمية ليصف بهما التغير المذهل في إلكترونيات الدوائر المتكاملة .

فقانون مور الأول ينص على أن المساحة اللازمة لوضع الترانزيستور في شريحة يتضاءل بحوالي النصف كل 18 شهرا . هذا يعني أن المساحة التي كانت تتسع لترانزستور واحد فقط قبل 15 سنة يمكنها أن تحمل حوالي 1000 ترانزستور في أيامنا هذه ، ويمكن توضيح القانون بالنظر إلى الرسم البياني التالي :

قانون مور الثاني يحمل أخبارا قد تكون غير مشجعة ؛ كنتيجة طبيعية للأول فهو يتنبأ بأن كلفة بناء خطوط تصنيع الشرائح تتزايد بمقدار الضعف كل 36 شهرا.

إن مصنعي الشرائح قلقون بشأن ما سيحدث عندما تبدأ مصانعهم بتصنيع شرائح تحمل خصائصاً نانوية . ليس بسبب ازدياد التكلفة الهائل فحسب ، بل لأن خصائص المادة على مقياس النانو تتغير مع الحجم ، ولا يوجد هناك سبب محدد يجعلنا نصدق أن الشرائح ستعمل كما هو مطلوب منها ، إلا إذا تم اعتماد طرق جديدة ثورية لتصميم الشرائح المتكاملة . في العام 2011 سوف تصبح جميع المبادئ الأساسية في صناعة الشرائح قابلة للتغيير و إعادة النظر فيها بمجرد أن نبدأ بالانتقال إلى الشرائح النانوية منذ أن وضع مور قانونيه التجريبيين ، إن إعادة تصميم و صناعة الشرائح لن تحتاج إلى التطوير فحسب, بل ستحتاج إلى ثورة تتغير معها المفاهيم والتطلعات. هذه المعضلات استرعت انتباه عدد من كبرى الشركات و جعلتهم يبدؤون بإعادة حساباتهم وتسابقهم لحجز موقع استراتيجي في مستقبل الشرائح النانوية.

5- تطبيقات النانو:

في مجال الصحة سوف يكون لدى الأطباء القدرة على السيطرة على بعض الأورام الصغيرة التي لم يمكن التأثير عليها في السابق.كما يمكن من خلال تقنية النانو تقني صنع سفينة فضائية في حجم الذرة يمكنها الإبحار في جسد الإنسان لإجراء عملية جراحية والخروج من دون جراحة. و قد ورد في بعض البرامج التسجيلية أنه يمكن صناعة خلايا أقوى 200 مرة من خلايا الدم و يمكنك من خلالها حقن جسم الإنسان بـ 10 % من دمه بهذه الخلايا فتمكنه من العدو لمدة 15 دقيقة بدون تنفس.

من وجهة نظر أمن الطاقة , فإن تطورات التقنية اللامتناهية الصغر مفيدة بشكل كبير جداً لانها تساعد على ترشيد استهلاك الطاقة. كمثال على ذلك لدينا المواد الهلامية الغازية ” Aerogels ” والمفيدة جداً في عمليات العزل, أطلية النوافذ التي تقي من الأشعة التحت الحمراء, درات التحويل الحراري ذات درجات الحرارة المنخفضة في السيارات…. وهي أيضاً تساعد في على مستويات متعددة في تطوير البدائل للوقود الأحفوري والذي يعتمد الكثير منا عليه بشكل كبير.

كما تستطيع الدخول في صناعات الموجات الكهرومغناطيسية التي تتمكن بمجرد ملامستها للجسم على إخفائه مثل الطائرة أو السيارة ومن ثم لا يراها الرادار ويعلن اختفاءها . كما تمكن من صنع سيارة في حجم الحشرة وطائرة في حجم البعوضة وزجاج طارد للأتربة وغير موصل للحرارة وأيضا صناعة الأقمشة التي لا يخترقها الماء بالرغم من سهولة خروج العرق منها.

فهذه التقنية الواعدة والتي تبشر بقفزة هائلة في جميع فروع العلوم والهندسة ، ويرى المتفائلون أنها ستلقي بظلالها على كافة مجالات الطب الحديث و الاقتصاد العالمي و العلاقات الدولية وحتى الحياة اليومية للفرد العادي فهي و بكل بساطة ستمكننا من صنع أي شيء نتخيله وذلك عن طريق صف جزيئات المادة إلى جانب بعضها البعض بشكل لا نتخيله وبأقل كلفة ممكنة ، فلنتخيل حواسيباً خارقة الأداء يمكن وضعها على رؤوس الأقلام والدبابيس ، ولنتخيل أسطولا من الروبوتات النانوية الطبية والتي يمكن لنا حقنها في الدم أو ابتلاعها لتعالج الجلطات الدموية و الأورام والأمراض المستعصية .

6- ثورة النانو في العالم:

انطلقت بعض الدول لعمل دراسات حول هذه التقنية, وقامت دول أخرى بعمل مراكز بحوث ودراسات وجامعات مخصصة لتقنية النانو, وكلفت مجموعة من الخبراء المميزين لدراسة هذه التقنية.

الصناعة التي بدأت فعلا:

دخلت صناعة النانو حيز التطبيق في مجموعه من السلع التي تستخدم نانو جزيئات الأكسيد على أنواعه “الألمنيوم والتيتانيوم وغيرها ” . خصوصا في مواد التجميل والمراهم المضادة للأشعة . فهذه النانو جزيئات تحجب الأشعة فوق البنفسجية UVكلها ويبقى المرهم في الوقت نفسه شفافا وتستعمل في بعض الألبسة المضادة للتبقع .

وقد تمكن باحثون في جامعة هانج يانج في سيئوول من إدخال نانو الفضه إلى المضادات الحيوية . ومن المعروف أن الفضة قادرة على قتل حوالي 650 جرثومة دون أن تؤذي الجسم البشري .

وسينزل عملاق الكمبيوتر “هاولت باكارد ” قريبا إلى السوق رقاقات يدخل في صنعها نانو اليكترونات قادرة على حفظ المعلومات أكثر بآلاف المرات من الذاكرة الموجودة حاليا . وقد تمكن باحثون في IBM وجامعة كولومبيا وجامعة نيو أورليانز من تملق وجمع جزيئين غير قابلين للاجتماع إلى بلور ثلاثي الأبعاد . وبذلك تم اختراع ماده غير موجودة في الطبيعة ” ملغنسيوم مع خصائص مولده للضوء مصنوعة من نانو ” و ” أوكسيد الحديد محاطا برصاص السيلينايد ” . وهذه المادة تعد نسف موصلة للحرارة وقادرة على توليد الضوء. وهذه الميزة الخاصة لها استعمالات كثيرة في مجالات الطاقة والبطاريات . وقد أوردت مجله الايكونوميست مؤخرا أن الكلام بدأ عن ماده جديدة مصنوعة من نانو جزيئات تدعى قسم ” Quasam ” ” كأنها كلمه عربية ” تضاف إلى البلاستيك والسيراميك والمعادن فتصبح قويه كالفولاذ خفيفة كالعظام وستكون لها استعمالات كثيرة خصوصا في هيكل الطائرات والأجنحة ، فهي مضادة للجليد ومقاومه للحرارة حتى 900درجه مئوية.

وأنشأت شركة كرافت Kraft المتخصصة في الأغذية السنة الماضية اتحاد الأقسام للبحوث العلمية لاختراع مشروبات مبرمجة . فقريبا يمكننا شراء مشروب لا لون له ولا طعم يتضمن نانو جزيئات للون والطعم عندما نضعه في المكروييف على تردد معين يصبح عندنا عصير ليمون وعلى تردد آخر يصبح هو نفسه شراب التفاح ، وهكذا.

ويقول الدكتور اريك دريكسلر ” ليس هناك من حدود ، استعدوا للرواصف الذين سيبنون كل شيء . من أجهزة التلفزيون إلى شرائح اللحم بواسطة تركيب الذرات ومركباتها واحدة واحدة كقطع القرميد ، بينما سيتجول آخرون في أجسامنا وفي مجارى الدم محطمين كل جسم غريب أو مرض عضال ، وسيقومون مقام الإنزيمات والمضادات الحيوية الموجودة في أجسامنا . وسيكون بإمكاننا إطلاق جيش من الرواصف غير المرئية لتتجول في بيتنا على السجاد والرفوف والأوعية محوله الأوساخ والغبار إلى ذرات يمكن إعادة تركيبها إلى محارم وصابون وأي شيء آخر بحاجه إليه ” .

وقد أحدث برنامج في الولايات المتحدة باسم ” مبادرة تقانة نانوية أمريكية ” لتنسيق الجهود المتعددة في هذا الحقل العلمي الجديد .

7- المخاطر المتوقعة للتقنية النانوية:

تحصل دوما عند كل تطور علمي أو تقني انتقادات وتنتشر المخاوف . كما حصل في الثورة الصناعية الأولى وعند اختراع الكمبيوتر وظهور الهندسة الوراثية وغيرها . تتركز الانتقادات هنا على عنصرين : الأول هو أن النانو جزيئات صغيره جدًا إلى الحد الذي يمكنها من التسلل وراء جهاز المناعة في الجسم البشري ، وبإمكانها أيضًا أن تنسل من خلال غشاء خلايا الجلد والرئة ، وما هو أكثر إثارة للقلق أنه بإمكانها أن تتخطى حاجز دم الدماغ. في سنة 1997 أظهرت دراسة في جامعة أكسفورد أن نانو جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم الموجودة في المراهم المضادة للشمس أصابت الحمض النووي DNA للجلد بالضرر. كما أظهرت دراسة في شهر مارس الماضي من مركز جونسون للفضاء والتابع لناسا أن نانو أنابيب الكربون هي أكثر ضررًا من غبار الكوارتز الذي يسبب السيليكوسيس وهو مرض مميت يحصل في أماكن العمل. الثاني من المخاوف هي أن يصبح النانو بوت ذاتي التكاثر, أي: يشبه التكاثر الموجود في الحياة الطبيعية فيمكنه أن يتكاثر بلا حدود ويسيطر على كل شيء في الكره الأرضية. وقد بدأت منظمات البيئة والصحة العالمية تنظم المؤتمرات لبحث هذه المخاطر بالذات. وعقد اجتماع في بروكسل في شهر يونيو من عام 2008 برئاسة الأمير تشارلز، وهو أول اجتماعٍ عالميٍّ ينظم لهذا الهدف، كما أصدرت منظمة غرين بيس مؤخرًا بيانا تشير فيه إلى أنها لن تدعو إلى حظر على أبحاث النانو. ومهما كان، فالإنسان على أبواب مرحلةٍ جديدةٍ تختلف نوعياً من جميع النواحي عما سبقها, جديدة بايجابياتها وكبيرة بسلبياتها وكما يقول معظم العلماء: ” لا يمكن لأي كان الوقوف في وجه هذا التطور الكبير، فلنحاول تقليص السلبيات “.

8- حقائق وأخطاء :

يستخدم بعض الكتاب الصحفيين أحيانا مصطلح (تقنية الصغائر للتعبير عن النانونية) رغم عدم دقته ، فهو لا يحدد مجاله في التقنية النانوية أو الميكرونية إضافة إلى التباس كلمة صغائر مع جسيم أو الدقائق Particles.

إن العلوم النانوية و التقنية النانوية هي إحدى مجالات علوم المواد و اتصالات هذه العلوم مع الفيزياء ، الهندسة الميكانيكية و الهندسة الحيوية و الهندسة الكيميائية, وتشكل تفرعات و اختصاصات فرعية متعددة ضمن هذه العلوم وجميعها يتعلق ببحث خواص المادة على هذا المستوى الصغير.

وكما جاء في مقال في جريدة (الحياة اللندنية) للكاتب (أحمد مغربي) تعرّف التقنية النانوية بأنها تطبيق علمي يتولى إنتاج الأشياء عبر تجميعها على المستوي الصغير من مكوناتها الأساسية، مثل ذرة و الجزيئات. وما دامت كل المواد المكونة من ذرات متراصفة وفق تركيب معين، فإننا نستطيع أن نستبدل ذرة عنصر ونرصف بدلها ذرة لعنصر آخر ، وهكذا نستطيع صنع شيء جديد ومن أي شيء تقريبا. وأحيانا تفاجئنا تلك المواد بخصائص جديدة لم نكن نعرفها من قبل ، مما يفتح مجالات جديدة لاستخدامها وتسخيرها لفائدة الإنسان ، كما حدث قبل ذلك باكتشاف الترانزيستور.

9- لمحة تاريخة عن تقنية النانو:

كشفت أبحاث ماريان ريبولد وزملائها في جامعة درسدن الألمانية الغطاء عن سر السيف الدمشقي المشهور بقدرته الكبيرة على القطع ومتانته المذهلة ومرونته الكبيرة، فقد تبين لها أنه مصنوع من مواد مركبة بمقياس النانومتر، فأنابيب الكربون النانوية التي تعبر من أقوى المواد المعروفة وذات المرونة ومقاومة الشد المرتفعة، أحاطت بالأسلاك النانوية من السمنتيت (Fe3C) وهو مركب قاس وصلب.

منذ آلاف السنين قصد البشر استخدام تقنية النانو . فعلى سبيل المثال استخدمت في صناعة الصلب والمطاط . كلها تمت اعتمادا على خصائص مجموعات ذرية نانوميترية في تشكيلات عشوائية .وتتميز عن الكيمياء في أنها لا تعتمد على الخواص الفردية للجزيئات.

10- التقنية المتناهية الصغر والطاقات المتجددة:

الفقرة التالية موجه إلى عامة الناس. والهدف هو الشرح وبيان كيف يمكن للتقنية النانوية أن تتواصل مع حاجات الطاقات المتجددة. سوف أبدأ بالتحدث عن التقنية المتناهية الصغر ولماذا يجب أن تخاطب الطاقات المتجددة والتنمية المستدامة. ومن ثم سوف أتناول في هذه الفقرة بعض من مجالات الطاقات المتجددة, الطاقة التقليدية, رفع الكفاءة في استهلاك الطاقة في القطاع الصناعي وترشيد استهلاك الطاقة, والنواحي التي يمكن أن تساهم التقنية المتناهية الصغر في تطويرها. وفي كل فقرة من هذه الفقرات سوف نذكر الوضع الحالي لهذه التقنية والحاجة إلى حلول تقنية مستدامة أكثر. وسينايروهات متوفرة ومتبعة حالياً من قبل المعاهد والمؤسسات المتعلقة بهذه التقنية والمتواجدة في الاتحاد الأوروبية والمفوضية الأوروبية. وبعدها نعرض المشاريع الحالية والنتائج من الأبحاث المقامة عالمياً والأبحاث المنجزة من قبل الاتحاد الأوروبي والتي يمكن أن تساعد وتقدم العديد من الحلول لهذه الاحتياجات. التقنيات التي سوف يتم التحدث عنها هي : الخلايا الكهروشمسية, خلايا الوقود والهدروجين, المدخرات, التحسينات على مصابيح الاضاءة, التحسينات على الوقود الأحفوري بواسطة استخدام مواد ذات بنية نانوية ومساحيق نانوية, مواد عزل, أغشية فاصلة ومحفزات كيميائية…

وفي النهاية ننهي الفقرة بتوصيات وذكر بعض المراجع والأبحاث التي يمكن العودة إليها.

تعمل التقنية اللامتناهية في الصغر في مستوى اساسي جداً بحيث تكاد لا تخلو أي تكنلوجيا منها. لذا فإن تأثيرها على توليد الطاقة, نقلها, تخزينها واستخدمها هو هائل ومتشعب. جزء من هذا التأثير يكون اضافي والجزء الأخر يعتبر أٍساسي.بدلاً من رسم كافة كافة الصورة, بعض الأمثلة سوف توضح الفكرة الكلية. أن تأثير التقنية النانوية تطال منشآت طاقة البحار والمحيطات أو منشأت أكبر وذات اصدارات المفاعلات النووية والمواد المستخدمة فيها.ولدينا الطاقة الكهروشمسية. والتي مايزال العالم كالطفل فيها ومكان اللعب مبني على أرضية التقنية اللامتناهية الصغير. وتقريباً لا يخلو أي تطوير من استخدام التقنية اللامتناهية الصغر, وتعتبر حالة استخدام العدسات من أجل تركيز الضوء على الخلايا القديمة الطراز هي الحالة المميزة الاستثنائية الوحيدة التي لاتوظف التقنية اللامتناهية الصغر من أجل تقليل من التجهيزات المرتفعة الكلفة.

10-1 الخلايا الكهروشمسية :

انتاج الكهرباء بواسطة الخلايا الكهروشمسية هو أكثر المجالات وضوحاً التي تقوم التقنية النانوية والمواد ذات البينة النانوية بالاسهام فيها وتطويرها. بلغ السوق العالمي للخلايا الكهروشمسية يقارب الـ 400 ميغا واط في عام 2001″ المصدر WWW.PHOTON–MAGAZINE.COM “. لقد أصبحت الخلايا الشمسية منافسة في قطاع انتاج الكهرباء وذلك للمنازل والقرى في المناطق البعيدة بدون الوصل إلى الشبكة الكهربائية.إن الحكومات مثل الويلات المتحدة الأمريكية وأوروبا واليابان تقوم بدعم التطور التقني والتركيب للخلايا الكهروشمسية على أسطح المنازل وتضمينها في الأبنية الحديثة المتكاملة للمنازل, الشركات أو حتى الكنائس ” كمثال على ذلك الكنائس في المانيا. التقنية المسيطرة في الوقت الحالي هي الخلايا السيليكونية الوحيدة البلورة أو المتعددة البلورات.وهي ما تشكل 80% من اجمالي انتاج السوق في عام 2000. والمتوقع أن تقل لتصل إلى 70% في عام 2010. تنتج الخلايا الشمسية عن طريق نشر طبقات سليكونية بسماكة بين الـ 0.2 لـ 0.3 مم والمشكلة هنا هي أن هذه العملية تستخدم مواد غالية الثمن والتي أكثر من نصفها تدمر عند عملية النشر والتقطيع.

الرقائق البديلة ذات البنية النانوية والمنتشرة حالياً في السوق تستعمل طبقة فعالة من ثخن الميكرون, متوضعة على قطعة رخيصة من الزجاج. هذه البدائل ومن ضمنها السيلكون الغير بلوري,والذي هو معروف بسبب استعمالاته في الألات الحاسبة الجيبية, والمستخدم في الخلايا الكهروشمسية في السوق على مدا 15 عاماً. السيلكون اللابلوري هو أرخص من السيليكون الكريستالي, لانه يستخدم مواد فعالة أقل بمقدار 300 مرة منه. المردود أقل بكثير وهو أقل من 10% مقارنة بـ مردود الأخر وهو 15%.

والخيار البديل الثاني من الخلايا الرقيقة والذي دخل السوق عام 2001 هو خلايا النحاس–انديوم, خلايا كادميوم توليرايد. ولقد اضمحل الطلب على النوع الثاني ” خلايا الكادميوم توليرايد ” بسبب قلق بيئي لأن الكادميوم هو مادة سامة جداً وخطرة على البيئة. وفي تقرير نشر عام 2002, يتوقع خبراء سوق الخلايا الكهروشمسية من أن خلايا نحاس–انديوم سوف تحقق حصة من السوق بمقدار 5% أي ما يعادل 65.5 ميغا واط وخلايا الكادميوم–توليرايد 4% أي ما يعادل 50.9 ميغا واط في عام 2011 www.sarasin.ch.

الخلايا المعدنية III-V ذات الأداء العالي تستخدم بأغلب الأوقات في التطبيقات الفضائية, ولكنها أيضاً تستخدم في الخيلايا المركزة. الخلايا المركزة هي عبارة عن خلايا كهروشمسية غالية الثمن وعالية الفعالية وهي بنفس الوقت تقوم يحصاد أشعة الشمس من ناطق واسع وتركزها على الخلية. في المخابر فقد وجد أن مردود هذه الخلايا قد وصل إلى 40% ولكن في الحياة العملية لا يمكن الحصول على نفس النتائج المخبرية كما هو الحال دائماً.

المشكلة الوحيدة للخلايا الكهروشمسية الرقيقة التي تعتمد على التقنية النانوية هي أن تحول الطاقة أقل فعالية من الخلايا الكريستالية السليكونية. وفقاً لمتحدث رسمي من احدى الشركات المصنعة للخلايا الرقيقة, إن المشكلة الرئيسية في صناعة الخلايا الكهروشمسية الرقيقة هي أنه لا يمكن لأحد أن ينتج خلايا رقيقة ذات مساحات كبيرة كافية للاستخدام على المستويات الصناعية.

البدائل على المدا الطويل تتضمن خلايا غريتزل Grätzel cell. والتي اخترعت أو مرة في عام 1991 من قبل البروفيسور مايكل غريتزل. المبدأ لهذه الخلايا يشكل أيضاً الأساسات الصلبة لأبحاث أخرى. يهدف البروفيسور جوب شومان في الجامعة التقنية ديلفت في هولندا إلى استبدال السائل الوسيط بـ بموصل بوليميري أو مادة عضوية مثل كبريت الحديد أو كبريت النحاس. 

خلايا غريتزل Grätzel cells:

تتكون خلايا غريتزل العضوية من طبقة رقيقة من دايوكسيد التيتانيوم ” بسماكة 10 ميكرو متر ” ذات جزيئات TiO₂ , والتي هي بقطر 20 نانو متر. ويتم تشبيع الفراغات بين هذه الجزيئات بـ جزيئات صبغية عضوية. ومن ثم توضع بمحلول ناقل. تصبح الخلية جاهزة بعد تزويدها بـ قطبين ناقلين للكهرباء عديمي اللون ومحفز. أن مردود هذه الخلايا هو أقل بكثير من الخلايا السيليكونية الكريستالية أي حوالي 7 لـ 8 % بالمقارنة مع 15% لتلك. لهذا فهي غير منافسة حالياً في سوق الخلايا الكهروشمسية. ويهدف مشروع Nanomax الأوروبي إلى رفع هذا المردود إلى 15%.

بعض الشركات الحديثة قد بدأت بالفعل بانتاج هذه الخلايا من أجل تضمن لها اسم في السوق في حالة تطور هذه الخلايا. كمثال على هذه الشركات شركة Greatcell www.greatcell.comوهي جزء من شركة Leclanché المختصة بصناعة المدخرات قد قامت بتطوير بعض التقنيات في هذا المجال وهي الأن تقوم بعرض منتجاتها الأولية في الأسواق. منها الساعات التي تعمل داخل المنزل عن طريق الخلايا الكهروشمسية والتي لا تحتاج إلى مدخرات ” تستطيع أن تعمل داخل المنزل لأن هذه الخلايا ذات الصباغ العضوي يمكنها أن تحول الضوء ذو التركيز الضعيف إلى كهرباء.

في استراليا تقوم السلطة المسؤولة عن تطوير الطاقة المتجددة باستثمار بمبلغ قدره 368000$ أمريكي من أجل ادخال خلايا غريتزل ذات الصباغ العضوي في جدران مركز CSIRO للطاقة في نيوكاسل. وسوف تقوم شركة Sustainable Technologies International Ltd (STI) الحديثة المنشأ بتأمين 200 متر مربع من هذه الخلايا.

التقنية المتناهية الصغر ليست على هذا القدر من الصعوبة والمثال التالي يوضح ذلك: بإمكان طفل أن يصنع خلايا كهروشمسية عضوية باستخدام مواد ذات بنية نانوية.تقوم شركة Mansolar في هولندا ببيع خلايا ومجموعات كاملة من الأنظمة الصغيرة التعليمية لاطفال للمدارس من أجل أن يقوموا بصناعة خلاياهم الشمسية العضوية الخاصة باستخدام عصير التوت أو شاي الخبيز كصباغ عضوي. وقد أسست هذه الشركة في عام 2000 كفرع من مركز الطاقة في هولندا ECN في بيتن www.mansolar.nl.

ولكن ما الذي يجعل الخلايا الكهروشمسية هي ثورة في مجال توليد الطاقة؟

السببان الرئيسيان لذلك هما: التوافر بشكل كبير والاقتصاد. ان الطاقة الشمسية هائلة حيث أن الطاقة الشمسية التي تضرب الأرض في الدقيقة الواحدة تكفي الطلب على الطاقة لأسبوع بكامله. مما يجعلها من ناحية التوافر تأخذ الصدارة. ولكن الكلفة اللازمة لاستحصال هذه الطاقة هي ما يقف في طريق استثمار هذه الطاقة. تقليل هذه الكلفة بشكل كافي أو ايجاد حلول أخرى بديلة هي السيناريوهات الناجحة لحل هذه المشكلة.

10-2 طاقة الرياح:

تكمن أهيمة التقنية النانوية في طاقة الرياح في صناع البروفيلات التي تصنع منها الشفرات. حيث تقوم هذه التقنية بزيادة قوة الشفرات للعنفات الريحية وبنفس الوقت تقليل وزن هذه الشفرات وزيادة متانتها وتحملها للتغيرات الأحوال الجوية. وهذا الشيء يمكن أن يؤمن عائد هائل نتيجة لتناسب طول الشفرات والطاقة المتولد ليس خطياً وانما بعلاقة مرفوعة لقوة محددة. ومع ذلك هناك الكثير من الجدال حول امكانية الاستفادة الفعلية من هذه الناحية في الحياة العملية.

10-3 الهيدروجين:

هناك الكثير من النقاش في الوقت الحالي حول اقتصاد الهيدروجين, حيث سوف يكون الهيدروجين هو الوقود المسيطر والذي يتم تحويله إلى كهرباء عن طريق الخلايا الوقودية منتجاً مخلفات هي الماء المقطر فقط. الهيدروجين ليس متوافر بكميات كبيرة بشكل حر بالطبيعة, لذا لا بد من انتاجه عن طريق استهلاك طاقة من منابع طاقة أخرى منها الوقود الأحفوري ومصادر الطاقات المتجددة. فقط الهيدروجين المنتج عن طريق استخدام الطاقات المتجددة هو الذي يساهم في اقلال نسب انبعاثات غاز ثاني اكسيد الكربون. إن الطرق المتجددة حالياً في انتاج الهيدروجين هي عن طريق الانتاج من قبل الوقود الحيوي أو عن طريق تحليل الماء حيث يتم أخذ الكهرباء المطلوبة من عملية التحليل من مصادر متجددة كالعنفات الريحية أو الخلايا الكهروشمسية أو محطات التوليد الكهرومائية. وحصلت شركة Millennium Cell الأمريكية المتواجد في ايتون تاون في نيوجرسي من عام 1998 على براءة اختراع وذلك لاختراع عملية بواسطتها يحدث تفاعل محفز بين الماء وبوروهيدرات الصوديوم والذي ينتج الهيدروجين من أجل الاستعمال بواسطة السيارات. والمحاسن لهذه الطريقة هي أن بوروهيدرات الصوديوم تمتاز بتخزين أمن جداً. وهي مشتقة من ” البورق ” والذي هو مادة طبيعية ذات مخزون طبيعي كبير نسبياً www.millenniumcell.com.

10-4 تخزين الهيدروجين:

يمكن تخزين الهيدوجين في مواد مختلفة على شكل غازي أو سائل أو بالأونة الأخيرة على شكل صلب. الهيدروجين المخزن على شكل غازي يمكن نقله بأنابيب الغاز الطبيعي بعد خلطه مع الغاز الطبيعي أو يمكن تخزينه بخزانات خاصة للغازات. الهيدروجين السائل يمكن أن يخزن أوعية معدنية عند ضغط مرتفع. أما الهيدوجين الصلب فهو يخزن في هدريدات المعادن. في عام 2001 انشأت شركة جديدة لتطوير أنظمة تخزين الهيدوجين في الهيدرات والتي تدعى Hera.وتقوم بتزويد مواد خاصة من أجل تخزين الهيدروجين, خزانات أو أنظمة تخزين تعتمد على الهيدرات المعدنية. وأعطى المتحدث الرسمي من قبل هذه الشركة وهو رئيس لجنة العلماء والباحثين فيها لمحة تاريخية عن تطور تقنيات تخزين الهيدروجين بالحالة الصلبة في عام 2002. في ستينات وسبعينات القرن الماضي كانت التقينة المستغلة وقتها الهيدرات العادية وفي ثمانينات القرن الماضي تحولت الدراسة إلى الهيدرات اللابلورية. ومن بدايات التسعينات اتجهت الدراسة إلى الهيدرات ذات البينة النانوية بما فيها أنابيب الكربون النانوية, الماغنيزيوم النانوي المصنع ذو الأساس الهيدريدي, المركبات المعدنية الهيدرو كربونية النانوية, الهيدرات الكيميائية النانوية. وتقوم شركة Hera بانتاج كل من هدريد الماغنيزيوم وهدريد الألمنيوم – صوديوم.

في معهد فراون هوفير للطاقة الشمسية في فرايبرغ ألمانيا, طور الباحثون جهاز تخزين هدروجين ونظام خلايا وقود صغير كفاية لوضعه في كميرات التصوير الرقمية المحمولة MiniatureFuelCells.

10-5 انتاج وتوزيع الهيدروجين:

ستقوم أوربا في الأعوام المقبلة بزيادة استهلاك الهيدروجين في وسائل النقل عن طريق عدة خطط من ضمنها مشروع CUTE والذي سوف يضع نماذج أولية من باصات تعمل باستهلاك الهيدروجين في تسع مدن أوروبية. وستتضمن السنوات القادمة أيضاً اجراء تجارب في أيسلندا تهدف إلى انشاء مجتمع هيدروجيني على الجزيرة بما فيه باصات تعمل على الهيدروجين والمصنعة من منتصف العام 2003 بالاضافة إلى محطات التزويد بالهيدروجين من أجل السيارات الخاصة وتطوير خطط لصناعة قوارب تعمل على الهيدروجين.

10-6 طاقة حرارة جوف باطن الأرض:

إن أحد المصادر الأخرى للطاقة التي يمكن أن تكون ثورية ومشابهة للطاقة الشمسية. يوسفني القول أنها ليست طاقة المفاعلات الاندماجية كما هو متوقع والتي غيرت من التوقعات المستقبلية مع أنها ما تزال تستحق التجربة والبحث, وإنما هي هي طاقة حرارة جوف الأرض والتي لها مخزون هائل يشابه المخزون للطاقة الشمسية والذي يقف في وجهه العوامل الاقتصادية. التقنية اللامتناهية الصغر ليس لها التأثير المباشر المماثل في التقنية الكهروشمسية بسبب وجود المواد الأكبر حجماً والتي تحتاج إلى عمليات القطع وهناك تكاليف الحفر من أجل الحصول على التحول حراري عند درجات حرارة منخفضة. ولكنها تحتاج إلى الكثير من التطويرات لكي تنتشر هذه المحطات على نطاق كبير.

10-7 طاقة تقليدية أنظف:

الأنباء الجيدة لهؤلاء الذين يقلقهم الاحتباس الحراري أن : ارتفاع تكاليف الوقود الأحفوري ” التي سوف تستمر بالتزايد وذلك كون أن الوقود الأحفوري هو مصدر سيؤول للزوال, وبنفس الوقت فإن تكاليف الطاقة البديلة مثل الطاقة الشمسية تستمر بالانخفاض مما يعطيها دوراً اقتصادياً أفضل. وعندما نتأمل الانتشار الواسع للتطبيقات التقنية اللامتناهية الصغر نجد أن أغلبها مستعمل في التقنيات الصديقة للبيئة. لسوء الحظ يوجد هناك استثناء لذلك, فأن التقنية اللامتناهية الصغر قد ساعدة على تحسين تأثير المحفزات. خلايا الوقود والمحولات التحفيزية هي من بين الفوئد المرحب بها. ولكن التحفيز هو أيضاً لب تكنولوجيا التسييل ومن بينها تقنيات تسييل الفحم وتخزينها والتي تعد باستقلالية النفط لهؤلاء الذين يملكون مخزون الغاز الغير اقتصادية أو مخازين الفحم. أمن الطاقة هو الهدف الأكبر وقد تحدث حالات تتنافس فيها دولتان ذو تعداد سكاني كبير والتي تصنف من الدول ذات النمو الاقتصادي الكبير في العالم, لذلك فهي في نفس الوقت من مستهلكي الطاقة الأكثر والتان هما الصين والهند والتي تعتبر الأكثر غنى بالفحم الطبيعي والتي يليها أمريكا الشمالية. اذا كانت مثل هذا البلدان تستطيع أن تقود سياراتها بشكل اقتصادي, شاحناتها وباصاتها على الديزل المنتج من الفحم, والذي من السخرية هو ذو انبعاثات مقارنةً مع الديزل العادي عند مخرج الألية ولكنه ينتج كمية أكبر من ثاني أكسيد الكربون من الديزل المنتج من النفط, عندها يمكننا أن ننظر إلى الغازات الدفيئة ككابوس نظراً أن هناك الكثير من الفحم في العالم من أجل تغذية الطلب على الطاقة لمئات السنين.

يمكن أن تساهم التقنية النانوية في تحسين مصادر الطاقة التقليدية منها الغاز, الفحم, الطاقة النووية والكهرباء. ويتضمن هذا الاسهام التحسين في انتاج الطاقة الكهربائية من هذه المصادر وتحسين الانتاج الأولي لهذه المصادر ذاتها. ولتحسين انتاج الكهرباء بشكل عام يمكن عن طريق استخدام التقنية المتناهية الصغر في العنفات التي تعتمد على الغاز الطبيعي أو الفحم تحسين أداء هذه العنفات بشكل كبير ورفع مردودها, أما انتاج الكهرباء المعتمد على الطاقة النووية فإن التقنية المتناهية الصغر يمكن أن تزيد من مقاومة المواد للاشعاعات النووية.

10-8 المدخرات:

تستخدم المدخرات من أجل الحصول على الكهرباء عند عدم توافرها من الشبكة الكهربائية. وهذا يتضمن التطبيقات المحمولة ومنها الهاتف المحمول, أجهزة الستيريو المحمولة أو حتى القرى أو المنازل في الأماكن البيعيدة عن الشبكة’ ويمكن أن تستخدم أيضاً في الأنظمة الاحتياطية في حالة تعطل الشبكة. في المستقبل سوف تزداد الحاجة إلى المدخرات القابلة لاعادة الشحن وخصوصاً من قبل تقنيات توليد الطاقات المتجددة كالخلايا الكهروشمسية. على الرغم من تواجد النوعين من المدخرات القابلة والغير القابلة للشحن فإن توجه السوق هو باتجاه المدخرات القابلة لاعادة الشحن.

يوجد هناك نوعين أساسين من المدخرات القابلة لاعادة الشحن والتي تستعمل فيها التقنيات النانوية وتركز عليها الأبحاث من أجل تطويرها. الأول والأكثر تقدماً هو المدخرات التي تعتمد على الليثيوم ومنها على سبيل المثال مدخرات الليثيوم – أيون وهذا النوع هو المدخرات الجافة. النوع الأخر وهو المدخرات الرطبة والتي تستخدم بشكل أساسي نفس المواد المستخدمة لتخزين الهيدروجين والتي تعتمد على هيدرات المعادن حيث يكون الهيدروجين هو حامل الطاقة, أو الأنابيب الكربونية النانوية وتقوم الشركة المذكورة سابقاً Millenium Cell بصناعة هذه المدخرات أيضاً.

10-9 تحويلات الطاقة:

يوجد العديد من حوامل الطاقة الأولية من ضمنها الوقود الأحفوري “مثل الغاز الطبيعي والنفط ” الوقود الحيوي, الطاقات المتجددة بأنواعها ” الطاقة الشمسية والريحية والهيدروجين ” بالاضافة إلى الطاقة النووية. هذه الحوامل الأولية يجب تحويلها إلى حرارة, كهرباء أو طاقة ميكانيكية ” حركة أو ضغط “. لبعض من طرق تحويل هذه الطاقات لا يوجد هناك حل فعال أو اقتصادي. وبعضها الأخر يحتاج إلى تطوير نقنيات تحويله أو الوصول إلى تقنيات جديدة. والأبحاث الحالية تتوصل إلى مواد جديدة ذات بنية نانوية أو مركبات نانوية جديدة. والخلايا الوقودية التي تقوم بتحويل الهيدروجين, المتان أو حتى المثانول هي من أشهر الأمثلة على ذلك. ولكن بنفس الوقت فإن الأبحاث تعمل على تقنيات نانوية أصغر حجماً مثل المحفزات وأغشية التبادل التي تقوم بفصل أنواع مختلفة من الغازات والتي يمكن أن تستخدم في الخلايا الوقودية أو وسائل تحويل طاقة أخرى.

10-10 إنتاج صناعي صديق للبيئة:

هناك العديد من مصادر الطاقة المستهلكة على الصعيد الصناعي. هذه الطاقة يمكن أن تنتج في الموقع الصناعي نفسه كاستخدام المحطات الحرارية والكهربائية المشتركة او استخدام المخلفات الصناعية كمصدر للطاقة. ويمكن أن يساهم الإنتاج الصناعي بنفس الوقت في ترشيد استخدام الطاقة عن طريق استهلاك طاقة أقل أو مواد أقل لنفس العدد من المنتجات. أو عن طريق جعل المنتجات مثل السيارات أخف وبهذا نحقق استهلاك طاقة أكثر كفاءةً فيها.

10-11 ترشيد استهلاك الطاقة:

معظم استخدام الطاقات المتجددة هو ليس استخداماً في مجال الطاقة. لذا تحاول الحكومات ترشيد استهلاك الطاقة بواسطة المستخدمين المنزلين والصناعين معاً. بعض هذه الوسائل التي تلجئ إليها هذه الحكومات يتضمن استخدام تقنيات جديدة مثل مواد العزل المحسنة. المواد ذات البنية النانوية مثل النانو فوم تلعب دوراً هنا.

11- النتائج والتوصيات:

إن أبحاث التقنية النانوية في أوربا يمكن أن تساهم في الحاجات المستقبلية لتقنيات الطاقة’ خصيصاً في الأجيال الحديثة من الخلايا الكهروشمسية والاقتصاد الهيدروجيني, انتاج وقود تقليدي أكثر كفاءة, ترشيد استهلاك الطاقة بالصناعة والاستهلاك المنزلي على حد سواء. بأخذ الاعتبار الميزانية الكبيرة التي سوف تخصص لـ أبحاث التقنية المتناهية الصغر بما فيها التطبيقات المتعلقة بالطاقة فإن الأيام المقبلة والسنوات المقبلة هي التي سوف تكون البرهان على أهمية هذه الأبحاث وضرورة هذه التمويلات.

 المراجع:

http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2007/02/nanotechnology–and–the–future–of–renewable–energy-47553

http://en.wikipedia.org/wiki/ nanotechnology

http://en.wikipedia.org/wiki/Green_nanotechnology

http://www.nanotech–now.com/Ineke–Malsch/IMalsch–energy–paper.html

http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2007/02/nanotechnology–and–the–future–of–renewable–energy-47553