كلايف كوكسون
يعتقد المخترعون أنهم على وشك ما يسمونه لحظة “الأخوان رايت” لطاقة الاندماج النووي. إذا كانوا على حق، فإن احتمال وجود طاقة أنظف وأكثر كفاءة يعتبر هائلا.
عندما تفتح الجمعية الملكية البريطانية الباب الأسبوع المقبل لمعرض علوم الصيف، العرض الرائد في البلاد للأبحاث الجديدة، سيبرهن أحد العارضين على وجود الأنموذج الأولي لمفاعل الانصهار النووي ويعلن أنه في غضون عقد من الزمن سيتم توليد الكهرباء من الانصهار – وهو التفاعل الذي يمد الشمس والنجوم بالطاقة. وقد قدر معظم المراقبين سابقا أن مثل هذا التحول كان يبعد عنا ما لا يقل عن 20 سنة.
الطموح الجريء لشركة توكاماك إنيرجي الناشئة، وهي شركة متفرعة عن مختبر كالهام التابع لحكومة المملكة المتحدة، يعتبر مثالا مقنعا للكيفية التي يمكن من خلالها للشركات والمجموعات الأكاديمية تطوير أشكال جديدة للطاقة خالية من الكربون.
وكان قد تم إبراز هذا المجال هذا الأسبوع عندما أخبر الملياردير بيل جيتس “فاينانشيال تايمز” بأنه يعتزم مضاعفة الاستثمار الشخصي في التكنولوجيا الخضراء، ابتداء من الطاقة النووية وطاقة الرياح إلى البطاريات والتمثيل الضوئي الاصطناعي، بمبلغ مقداره مليارا دولار على مدى السنوات الخمس المقبلة.
وهو يدعو أيضا إلى مضاعفة الدعم العام لبحوث الطاقة المتجددة بمقدار ثلاثة أضعاف، للمساعدة على مكافحة تغير المناخ، من المستوى الحالي البالغ نحو ستة مليارات دولار سنويا في جميع أنحاء العالم. بعض من هذه الأموال يمكن أن يأتي من تحويل الأموال المستخدمة الآن لدعم نشر مصادر الطاقة المتجددة القائمة (التي تستند أساسا إلى الطاقة الشمسية وطاقة الرياح)، كما يقول جيتس.
ولكن جيم واتسون، مدير الأبحاث في مركز بحوث الطاقة في المملكة المتحدة، يدعو إلى الحذر. ويقول “بالطبع أنا لست ضد وضع مزيد من الأموال في أبحاث الطاقة، ولكن قد يكون لدي اعتراض على تحويل التمويل العام للبحث عن نشر تقنيات مثل الخلايا الكهروضوئية الشمسية (التي تولد الكهرباء من أشعة الشمس) وطاقة الرياح البحرية”. ويضيف “ينسى الناس مقدار الابتكار الذي يأتي من الانتشار نفسه”.
تلقت الطاقة النووية كثيرا من التمويل الحكومي خلال السنوات وبشكل أكثر بكثير من غيرها من المصادر المنخفضة الكربون، ولكن كما يقول جيتس، لا تزال “تفشل من حيث التكاليف، والسلامة، والانتشار، والنفايات، ونقص الوقود”. التكنولوجيا المفضلة لديه للمستقبل، التي استثمر فيها بشكل كبير، هي المفاعل الموجي المتنقل.
المفاعل الموجي المتنقل هو “مفاعل سريع” محمل بالنفايات النووية المستنفدة في بداية حياتها، التي من ثم تتكاثر وتحرق وقودها الخاص على مدى عقود. ويقول بول هوارث، المدير الإداري للمختبر الوطني للطاقة النووية في بريطانيا “إن الميزة الكبيرة للمفاعل الموجي المتنقل هو أن لديك وقودا داخل المفاعل مدى الحياة”. ويضيف “لكنه سيكون مفاعلا كبيرا وباهظ الثمن”.
الأنموذج الأولي لمفاعل الانصهار الذي سيظهر في لندن الأسبوع المقبل هو نسخة مصغرة من “توكاماك” على شكل دونات، من تصميم مشروع الاندماج العملاق ITER في فرنسا، الذي ترتفع تكاليفه لنحو 20 مليار دولار. ويقول ديفيد كينجهام، الرئيس التنفيذي لـ “توكاماك”، “طاقة الانصهار المدمجة لم تعد مجرد أضغاث أحلام”. ويضيف “نحن نسعى للحظة إقلاع “الأخوان رايت” المذكورة بخصوص طاقة الانصهار في غضون عشرة أعوام”.
وتستعد مشاريع الطاقة المنخفضة الكربون المبتكرة الأخرى أيضا للانطلاق. يبدو بعضها أنه مغرق في التكهنات، مثل الاستفادة من تيارات الهواء السريعة في المناطق العليا من الغلاف الجوي. بعضها الآخر أكثر انتشارا، مثل بناء بطاريات أفضل لتشغيل السيارات الكهربائية وتخزين الناتج من مصادر الطاقة المتجددة لفترات متقطعة. ولدى بعضها طابع رومانسي، مثل الأوراق الاصطناعية لجمع انبعاثات الكربون.
معظمها سينهار ولكن التوقعات بخصوص معركة ناجحة ضد تغير المناخ سيتم تعزيزها لو أفلح منها عدد قليل، يغذيها تمويل من جيتس ومستثمرين آخرين، من القطاعين العام والخاص.
التمثيل الضوئي
التمثيل الضوئي في النباتات يحول ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيماوية عضوية بكفاءة غير عادية. الكيميائيون يقلدون هذا التفاعل من خلال المحفزات الاصطناعية التي لها وظيفة مماثلة للكلوروفيل، التي تهدف إلى تقديم الوقود والمواد التي يمكن أن تحل محل تلك المنتجة من الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
إن أهم منتج سيكون الهيدروكربونات التي يمكن أن تمد السيارات بالطاقة بدلا من البنزين والديزل. وهناك نوع أبسط وهو الهيدروجين الناتج من تقسيم جزيئات الماء. المركبات الأكثر تعقيدا يمكن أن تحل محل تلك المصنوعة من البتروكيماويات.
العمل المخبري لا يزال في مرحلة مبكرة، وفي الوقت الذي يجري فيه العلماء التجارب مع مختلف المواد لجعل محفزات السطح والوقود تجمع هياكل من ورقة اصطناعية.
ومن بين مصادر الطاقة المتجددة، تتنافس التكنولوجيا مع الوقود الأحيائي المنتج من قبل الكتلة الحيوية النباتية المعالجة أو من خلال زراعة الطحالب والخلايا الجرثومية الأخرى في “مزرعة”، وهي عمليات لم تتقدم بالسرعة التي كان يرجوها مؤيدوها.
من الذي يقوم بتطوير ذلك؟ مختبرات في جميع أنحاء العالم. المركز المشترك لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي بقيادة معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والممول بمنحة حكومية تبلغ 122 مليون دولار هو أكبر برنامج في هذا المجال.
تاريخ الإنتاج التجاري: 2030 لإنتاج وقود النقل بكميات كبيرة.
الطاقة النووية الجديدة
الطاقة النووية – تقسيم الذرات الثقيلة عن طريق الانشطار أو الجمع بين تلك الخفيفة من خلال الانصهار – تقدم طاقة خالية من الكربون على نطاق واسع.
لكن يبدو أن السياسيين والجمهور فقدوا الثقة في التكنولوجيا الأساسية للجيل الحالي من المفاعلات القائمة على الانشطار الذي يعتبرونه إرثا مكلفا ومحفوفا بالمخاطر من القرن العشرين.
كثير من تصاميم مفاعلات الانشطار البديلة هي قيد التطوير. بعضها مصغرة، للحد من الاستثمارات الضخمة المطلوبة لبناء محطة طاقة نووية جديدة. البعض الآخر يستخدم تكنولوجيا “المفاعل السريع” لحرق وقود أكثر كفاءة، دون توليد كثير من النفايات المشعة.
كمشاريع على الأقل من مشاريع القطاع الخاص جارية لتطوير مفاعلات الاندماج، التي من شأنها الاستفادة من العملية النووية التي تمد الشمس بالطاقة. لكنها تواجه تحديات هندسية هائلة، فضلا عن المشككين الذين يقولون إنه منذ الخمسينيات وطاقة الانصهار التجاري تكمن إلى حد مثير دائما على بعد نصف قرن في المستقبل.
من الذي يقوم بتطوير ذلك؟ شراكة حكومية دولية تقوم ببناء مفاعل انصهار، مفاعل الاندماج النووي الدولي ITER في فرنسا بقيمة 19 مليار دولار. شركة لوكهيد مارتن وتوكاماك إنيرجي في الولايات المتحدة، الشركة الناشئة في المملكة المتحدة، تستحدثان مفاعلات اندماج تجارية.
تاريخ الإنتاج التجاري: تكنولوجيا الانشطار الجديدة بشكل جذري، في عام 2035، والانصهار في عام 2045.
الرياح العالية
طاقة الرياح هي، جنبا إلى جنب مع الطاقة الشمسية، واحدة من أكبر اثنتين من مصادر الطاقة المتجددة. لكن تعتبر التوربينات الأرضية مكلفة، ومنظرها ضخم وتحتل مساحات واسعة، عدا عن أنها لا تنتج الكهرباء بانتظام. في يوم هادئ يجب التعويض عن خمولها عن طريق مولدات أخرى على أهبة الاستعداد.
الحل، الذي تبناه عديد من الشركات الناشئة، هو الارتفاع عاليا في السماء حيث تكون الرياح أقوى وأكثر موثوقية بكثير.
وقد تم اختبار مختلف النماذج الأولية الصغيرة الحجم، وذلك باستخدام الطائرات الورقية المربوطة. بعض التصاميم تولد الكهرباء عاليا في الجو وتنقل الطاقة إلى الأرض من خلال كابلاتها، والبعض الآخر يستخدم حركات الحبال لتوليد الطاقة على الأرض.
الفكرة الأكثر طموحا هي الاستفادة من قوة الرياح السريعة العاتية، التي يمكن أن تهب على 200 كيلو متر في الساعة أو أكثر على ارتفاع عشرة كيلو مترات.
من الذي يقوم بتطوير ذلك؟ شركات خاصة في أوروبا وأمريكا الشمالية، بما في ذلك ماكاني (المملوكة من قبل جوجل)، وألتيروس إنيرجيس، وLTA لطاقة الرياح، وإنركايت، وكايتنيرجي، وسكاي وند بور وإيربورن وند لمختبرات الطاقة. بعض الجامعات تعمل على ذلك أيضا.
تاريخ الإنتاج التجاري: 2030.
تخزين الطاقة
عالم التقنيات المتحركة، ابتداء من السيارات الكهربائية إلى الهواتف الذكية، أخذ ينفد صبره للحصول على بطاريات تدوم لفترة أطول، وبشكل أسرع في عملية الشحن مع تخزين أكبر لأيونات الليثيوم Li-ion – أفضل التقنيات من جميع النواحي اليوم. مقارنة بغيرها من المكونات الإلكترونية، تحسن تكنولوجيا أيونات الليثيوم يسير بخطى بطيئة منذ بدء العمل به في عام 1991. إن طاقة الرياح والطاقة الشمسية من شأنها أن تستهوي كثيرا من النقاد وتكسب حصة أكبر من سوق الطاقة إذا كان من الممكن تخزين إنتاجها بكفاءة في بطاريات ثابتة كبيرة، ليتم إطلاقها عندما يكون الطقس هادئا والشمس لا تسطع.
وقد توصل الباحثون إلى عديد من المرشحين ليحلوا محل Li-ion لكن لم يظهر المرشح الأوفر حظا. الليثيوم، أخف معدن في العالم، لا يزال عنصرا ذا شعبية كبيرة، مع بطارية ليثيوم-الأكسجين وبطاريات ليثيوم – الكبريت تظهر نتائج جيدة في الاختبارات المعملية. أيون المغنيسيوم هو خيار آخر. وثمة خيار أكثر جذرية هو استبدال البطارية، التي تخزن الطاقة من خلال التفاعلات الكيماوية العكسية، وإحلال مكثف محلها، الذي يخزن في مجال كهربائي.
من الذي يقوم بتطوير ذلك؟ فرق بحثية في جامعات ومختبرات حكومية، مع خبرة خاصة في الولايات المتحدة – مختبرات أرجون بيركلي الوطنية؛ وشركة تيسلا لصناعة السيارات والبطاريات إلى كوانتم سكيب. تاريخ الإنتاج التجاري: 2025 لبطارية أفضل من بطارية الليثيوم Li-ion.