معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة

أصبح معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة، التابع لجامعة حمد بن خليفة، أول مؤسسة بحثية في الشرق الأوسط تعمل على تطوير أجهزة هوائيات مقومة توظف تقنية النانو. ويمكن أن تكون هذه الأجهزة، التي يطورها علماء في برنامج التكنولوجيا الثورية (Disruptive Technologies) التابع للمعهد، كفيلة بتغيير قواعد اللعبة في مجالات أجهزة الاستشعار والاستكشاف، وتحويل الطاقة الشمسية، والأجهزة الإلكترونية المتناهية الصغر.

ورغم أن الخلايا الشمسية يمكنها تحويل الضوء المرئي إلى كهرباء عبر ما يعرف باسم التأثير الكهروضوئي، فإن الخلية الشمسية التي تعتمد على هوائي-مقوم تُشَكِل نوعًا خاصًا من هوائيات- المقومات يحول الضوء مباشرةً إلى كهرباء عبر توظيف طبيعة الموجة للإشعاع الكهرومغناطيسي. ويتكون جهاز هوائي-مقوم من هوائي نانوي يمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي ويولد تيارًا متذبذبًا، ومقومًا للتيار (يشبه الصمامات الثنائية) يحول هذه الإشارة الناتجة من التيار المتذبذب إلى تيار مباشر. ويمكن استخدام نفس الجهاز لاستشعار الضوء واكتشافه، فضلاً عن إمكانية استخدامه في العديد من التطبيقات الأخرى مثل الرؤية الليلية.

وقال الدكتور هشام حمودي، مدير برنامج البحوث في برنامج التقنيات الثورية متناهية الصغر (Disruptive Technologies) بمعهد قطر لبحوث البيئة والطاقة: "هناك تحديان تكنولوجيان رئيسيان عند التفكير في إنشاء خلايا شمسية بصرية فعالة باستخدام هوائيات المقومات. أولاً: يجب أن تكون الهوائيات صغيرة بما يكفي لامتصاص الموجات الكهرومغناطيسية في النطاق البصري للطيف وتحويلها إلى تيار متردد. ومثل أي هوائي آخر، يجب أن تكون الهوائيات بنفس حجم طول الموجة الذي تمتصه، على مقياس النانومتر. ثانيًا: يجب أن يكون وقت استجابة صمام المقوم الثنائي سريعًا بما يكفي لمتابعة التغيرات في قطبية اهتزازات الإلكترون في الهوائيات النانوية. ويعد هذا أمرًا صعب التحقيق من الناحية التجريبية باستخدام التقنيات التقليدية القائمة على أشباه الموصلات. ونحن نوظف التطورات في الإلكترونيات النانوية في النهج الذي نطبقه، وهو ما يفتح آفاقًا جديدة لتطوير تكنولوجيا المقومات. وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون تردد الصمام الثنائي متزامنًا مع اهتزازات الجهد عالي التردد التي تنتجها الهوائيات.

من جانبها، قالت الدكتورة فيرونيكا برموديز، مدير أبحاث أول بمركز الطاقة التابع لمعهد قطر لبحوث البيئة والطاقة: "لقد تمكنا من تحقيق إنجاز مهم خلال فترة زمنية قصيرة نسبيًا، كما حَظِيَ عملنا بتقدير المجتمع الدولي للبحوث."

وتحدثت الدكتورة برموديز عن مزايا الخلايا الشمسية التي تعتمد على هوائيات  المقومات فقالت: "على عكس الخلايا الشمسية الكهروضوئية التقليدية، يستخدم جهاز هوائي المقوم عملية مختلفة لإنتاج الطاقة الشمسية يمكن أن تزيد من كفاءة تحويل الطاقة إلى حد كبير. ولهذا الجهاز المذهل الذي يبلغ حجمه 1/1000 من حجم شعر الإنسان تطبيقات متعددة في تحويل الطاقة الشمسية، وأجهزة الاستشعار والاستكشاف، والرؤية الليلية وتطبيقات الأمان. وبالإضافة إلى ذلك، تتمتع هوائيات المقومات بمميزات مشابهة لمادة السيليكون، ولكنها فريدة ولها العديد من المزايا التي تسمح لنا ببناء منصة كمنطقة حضانة للجيل المقبل من الخلايا الشمسية، وأجهزة الاستشعار والاستكشاف، والمعالجات الكمية."

ويعمل باحثو المعهد على تطوير عدد من التقنيات القائمة على هوائيات المقومات، بما في ذلك الخلايا الشمسية التي تقدم العديد من المزايا مقارنة بالخلايا الشمسية الكهروضوئية التقليدية من حيث الكفاءة المحتملة والتكلفة المتوقعة. وتستمر البحوث في تطوير كاشفات الأشعة تحت الحمراء وأشعة تيراهيرتز التي تتميز بإمكانية استخدامها في التطبيقات العملية في العديد من المجالات مثل أجهزة الاستشعار، والتحليل الطيفي الجزيئي، وأجهزة الاستكشاف والتصوير. وتقوم المجموعة أيضًا بتطوير طابعات ثلاثية الأبعاد تعتمد على التجميع الذاتي الجزيئي ليس لها مثيل في سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد الحالية، حيث تتمتع بالعديد من المزايا من حيث التكلفة والأداء.

وتقدَّم الدكتور مارك فيرميرش، المدير التنفيذي لمعهد قطر لبحوث البيئة والطاقة، بالتهنئة للفريق، وأضاف: "معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة هو معهد بحوث يعمل وفقًا لمتطلبات السوق ويسعى إلى سد الفجوة بين مستويات الجاهزية التكنولوجية المنخفضة والعالية. ويبرهن هذا العمل الذي أنجزه فريق التكنولوجيا المبتكرة تمامًا على قدرتنا على تعزيز الجهود البحثية في العلوم الأساسية مع التفكير في وجهات نظر السوق المتعلقة بالتطبيقات المحتملة للمواد النانوية والأجهزة الكمية. ومن المختبر إلى التصنيع، ستكون الرحلة طويلة وصعبة. ومع ذلك، فإنني مقتنع بأننا نمهد الطريق أمام حدوث ابتكارات ثورية كبيرة في العديد من الموضوعات الاستراتيجية للغاية في قطاعات الطاقة (تحويل الضوء)، والقطاع العسكري (الرؤية الليلية)، والقطاع المدني (أجهزة الاستكشاف والاستشعار). وفي ظل تحقيق هذه النتائج الرائعة، فإنني متفائل للغاية بقدرة المعهد على الاستمرار في استقطاب الأطراف المعنية الرئيسية وشركاء التمويل لتسريع عملية الابتكار وتعزيز المكانة الريادية لدولة قطر في هذه المجالات."

ويجري معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة أبحاثًا مهمةً عبر مراكزه المختلفة مثل مركز الطاقة، ومركز المياه، ومركز البيئة والاستدامة، ومركز التآكل، ومرصد الأخطار الطبيعية والبيئية، وبرنامج علوم الأرض لدعم قطر في مواجهة تحدياتها الكبرى المتعلقة بالطاقة والمياه والبيئة، وذلك بما يتماشى مع رؤية قطر الوطنية 2030. 

للمزيد من المعلومات عن معهد قطر لبحوث البيئة والطاقة، يُرجى زيارة: hbku.edu.qa/en/qeeri