توليد حرارة صناعية قياسية من ضوء الشمس

17 كانون الأول 2025 , 16:37 م

كشف علماء صينيون عن مضخة حرارية فائقة الارتفاع في درجة الحرارة، قادرة على تحويل مصادر حرارة منخفضة الجودة — مثل الطاقة الشمسية أو حرارة العوادم الصناعية — إلى طاقة حرارية عالية جدا تلبي احتياجات الصناعات الأكثر استهلاكا للطاقة في العالم.

وتتميّز هذه التقنية المبتكرة بأنها لا تحتوي على أي أجزاء ميكانيكية متحركة، ما يمنحها كفاءة أعلى واعتمادية أكبر مقارنة بالأنظمة التقليدية.

تفاصيل الابتكار؟

تم تطوير المضخة الحرارية الجديدة على يد فريق بحثي من الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS)، بقيادة الفيزيائي لوو إيرتسانغ، المدير الإداري لمعهد الفيزياء والكيمياء التقنية.

ويعتمد الابتكار على مفهوم متقدم يُعرف باسم مضخة ستيرلينغ الحرارية الصوتية (Thermoacoustic Stirling Heat Pump).

أرقام قياسية في درجات الحرارة

في التجارب المخبرية، حقق النموذج الأولي نتائج لافتة:

درجة حرارة الخرج: 518 درجة فهرنهايت (270 درجة مئوية)

مصدر الحرارة المستخدم: 293 درجة فهرنهايت (145 درجة مئوية)

وبذلك تجاوزت التقنية الحد العملي التقليدي لمضخات الحرارة الصناعية، الذي ظل لعقود محصورا عند نحو 392 درجة فهرنهايت (200 درجة مئوية).

كيف تعمل المضخة الحرارية الصوتية؟

على عكس أنظمة الضغط البخاري التقليدية، تعتمد هذه المضخة على التأثيرات الحرارية الصوتية، أي التفاعل بين الموجات الصوتية والحرارة.

آلية العمل باختصار:

تحويل الحرارة إلى موجات صوتية قوية وثابتة

استخدام هذه الموجات لضخ الطاقة الحرارية

نقل الحرارة من مصدر منخفض الحرارة إلى مستوى أعلى بكثير

وتم تصميم النظام ليعمل باستخدام:

المجمعات الشمسية الحرارية

حرارة المفاعلات النووية

حرارة العوادم الصناعية المهدرة

تطبيقات صناعية واسعة النطاق

الحرارة الناتجة عن هذه التقنية مناسبة لقطاعات صناعية صعبة إزالة الكربون، مثل:

صناعة السيراميك

البتروكيماويات

علم المعادن وصهر الفلزات

مما يعني إمكانية تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري في هذه الصناعات الثقيلة.

لماذا هذا الابتكار مهم عالميا؟

تمثل التدفئة الصناعية نحو 40% من إجمالي استهلاك الطاقة الحرارية في الصين

تخسر الصين ما بين 10% و27% من طاقتها على شكل حرارة مهدرة

وفق وكالة الطاقة الدولية (IEA)، فإن قرارات الصين التقنية سيكون لها تأثير حاسم على مسار إزالة الكربون عالميا

استعادة جزء بسيط فقط من هذه الحرارة المهدرة قد يؤدي إلى:

تحسين كبير في كفاءة الطاقة

خفض ملموس في انبعاثات الكربون

سد الفجوة الحرارية في الصناعة

حاليا:

المضخات الحرارية الامتصاصية المتقدمة تصل إلى نحو 100 درجة مئوية

محولات الحرارة الامتصاصية نادرا ما تتجاوز 200 درجة مئوية

بينما تحتاج الصناعات إلى:

صناعة الورق، الصباغة، التخمير، الأدوية: 100–200 درجة مئوية

السيراميك والمعادن والبتروكيماويات: من 200 حتى أكثر من 1000 درجة مئوية

وهنا تأتي أهمية المضخة الحرارية الصوتية لسد هذه الفجوة الحرارية.

طموح يصل إلى 1300 درجة مئوية بحلول 2040

يتوقع الباحثون أنه مع تطور المواد والتصميم الهندسي، يمكن لهذه التقنية أن:

توفّر حرارة صناعية خالية من الكربون

تصل إلى 2372 درجة فهرنهايت (1300 درجة مئوية) بحلول عام 2040

وقال لوو إيرتسانغ في بيان رسمي: «تطوير مضخات حرارية صناعية فائقة السخونة وذات كفاءة عالية سيكون أحد المسارات الأساسية لتحقيق أهداف الصين المزدوجة للكربون».

طاقة شمسية ونووية بدل الوقود الأحفوري

عند هذه المستويات الحرارية، يمكن نظريا استخدام:

الطاقة الشمسية الحرارية

الطاقة النووية

لدعم عمليات مثل:

تنقية المعادن

الإنتاج الكيميائي

وهي عمليات تعتمد حاليا بشكل شبه كامل على الوقود الأحفوري.

متى نراها في المصانع؟

رغم أن التطبيق الصناعي الواسع لا يزال بعيد المدى، فإن الباحثين يعتقدون أن هذه التقنية قد تمكّن المصانع مستقبلا من:

إعادة تدوير حرارتها المهدرة ذاتيا

أو تشغيل عملياتها باستخدام ضوء الشمس