يصوغ العلماء ابتكارًا جديدًا يمكنه قياس الطاقة الحرارية لفهم المزيد حول عمليات أنظمة تحويل الطاقة مثل الأوراق أثناء عملية التمثيل الضوئي
يعتبر تحويل الطاقة عملية مستمرة ولكن قياس كفاءة هذا التحويل ليس بالمهمة السهلة. لقد ثبت أن قياس الانبعاث الحراري للجسم الذي يمتص الطاقة مؤشر جيد. ابتكر العلماء الآن تقنية يمكنها إجراء هذا القياس بسهولة ودقة ، ويمكن لهذه التقنية الجديدة أن تلقي الضوء على عمليات نقل الطاقة في أنظمة تتراوح من النباتات إلى الخلايا الشمسية.
الطاقة في دورة عالمية ثابتة من الاستخدام والإصلاح وإعادة الاستخدام. من خلال هذه العملية ، غالبًا ما تكون هناك العديد من المواقف التي يتم فيها تلقي الطاقة في شكل ما وتحويلها إلى شكل آخر ، أو حتى إلى شكل غير طاقة ؛ التمثيل الضوئي هو مثال مناسب على ذلك. في هذه العملية ، كما نعلم ، تسقط طاقة الشمس ، على شكل ضوء الشمس ، على الأوراق ، وتحول الأوراق هذه الطاقة الشمسية إلى أشكال أخرى من الطاقة المخزنة من خلال مجموعة من التفاعلات. لكن ما هي كفاءة تحويل الطاقة هذا؟ بعبارات بسيطة ، كفاءة تحويل الطاقة هي نسبة المخرجات المفيدة لنظام تحويل الطاقة مثل النبات وإجمالي الطاقة التي يتلقاها في المقام الأول. هذه القيمة مهمة بشكل خاص في تخطيط الهياكل الموفرة للطاقة مثل الخلايا الشمسية. ومع ذلك ، على الرغم من أن النظرية بسيطة ، إلا أنه لا توجد طريقة ثابتة لقياس العوامل التي تحدد كفاءة تحويل الطاقة الضوئية بدقة ، مثل إجمالي الطاقة أو إجمالي الطاقة الكهربائية المتولدة.
إحدى التقنيات البديلة التي تم استكشافها لحل هذه المشكلة هي قياس الحرارة فوق الضوء. كل ما يمتص الطاقة يميل إلى تبديد تلك الطاقة في شكل حرارة. هذا الإطلاق للحرارة يكون أكبر مباشرة بعد امتصاص الطاقة ويقل مع مرور الوقت. يتناقض هذا مع انبعاث الضوء من أنظمة مثل "الفوسفوريسنت" أو المواد المتوهجة في الظلام ، والتي تمتص الطاقة وتطلق الضوء فقط في وقت لاحق. لذلك ، قياس إطلاق الحرارة كدالة لطول موجة ضوء الإثارة - أو لاستخدام المصطلح التقني ، "طيف الإثارة الضوئية" أو PTES - يمكن أن يكون طريقة قابلة للتطبيق لقياس كفاءة تحويل الطاقة. يعد التحليل الطيفي للانحراف الضوئي أحد طرق التطبيق المباشر لـ PTES. ومع ذلك ، فإن القليل جدًا من الأبحاث قد حققت في PTES بشكل مستقل عن انبعاث الضوء.
العلماء في جامعة طوكيو للعلوم ، قررت اليابان معالجة هذه المعرفة الفارق. كان هذا الفريق من العلماء بقيادة البروفيسور إيجي توكوناجا قد ابتكر سابقًا تقنية مطيافية الانحراف الحراري الضوئي Sagnac interferometer (SIPDS) ، مما أدى إلى تحسين كفاءة التقنيات الحالية بمقدار واحد. يكتشف التحليل الطيفي الضوئي الحرارة المتولدة عند امتصاص العينة للضوء المشع ، وبالتالي ، يمكنه قياس طيف الامتصاص لعينات من أي شكل وبأي خصائص ، مثل "المشتتات" التي لا يمكن قياس الضوء المرسل. يقول البروفيسور توكوناغا ، "منذ عام 2010 تقريبًا ، نعمل على زيادة حساسية التحليل الطيفي للانحراف الضوئي باستخدام مقياس التداخل ، ومع الجهود الجماعية للجميع بما في ذلك الطلاب ، يمكننا تحليل العينات في الهواء التي نادرًا ما تم تحليلها من قبل ، مما يمنحنا القدرة على قياس طيف الامتصاص على نطاق الضوء المرئي بأكمله. " لماذا كان هذا مهم جدا؟ "هذه التكنولوجيا المطورة، "يقول البروفيسور توكوناغا ،"مكننا من تقييم الكفاءة الكمية للتألق أو تحويل الطاقة الكيميائية".
أخذ هذه التكنولوجيا خطوة أخرى إلى الأمام ، هؤلاء العلماء ، جنبًا إلى جنب مع الدكتور Kohsei Takahashi والدكتور Naoto Hirosaki من Sialon Group ، المعهد الوطني لعلوم المواد (NIMS) ، قاموا الآن بدمج "الاكتشاف المتوازن" ، وهو في الأساس تقنية لقياس التباينات الصغيرة في القيم ، في تقنية SIPDS الخاصة بهم. يستخدم هذا الابتكار الجديد مصباح الضوء الأبيض كمصدر للطاقة ويمكنه قياس طيف الإثارة الحرارية للمواد في الهواء. لاحظ العلماء عدم توليد أي حرارة ، مما يعني أن الطاقة الضوئية تتحول إلى طاقة فعالة ، لذلك يمكن قياس الاختلاف عن طيف الامتصاص لتحديد كفاءة تحويل الطاقة الضوئية.
لقد تمكنوا من استخدام هذه التقنية لقياس الطيف الحراري (PTES) من الفوسفور الأحمر المضيء عالي الكفاءة من LED الأبيض ، الذي تم تصنيعه بواسطة NIMS ، بنجاح ومقارنته بطيف الإثارة الضوئي (PLES) ، والذي أظهر كمية الضوء المنبعثة من الفوسفور كدالة لطول موجة ضوء الإثارة (الشكل). قدمت هذه المقارنة قيمًا دقيقة لكفاءة التلألؤ الضوئي للفوسفور أيضًا ، وهو مقياس لمدى قدرة مادة ما على إصدار الضوء. "يمكننا استخدام تقنيتنا لقياس أطياف الاسترخاء الحراري للمواد على النطاق المرئي بأكمله في حد الإثارة الضعيف 50 µW / cm2، وهو إنجاز لم يسبق له مثيل"، تصريحات البروفيسور توكوناغا. وبالتالي ، فإن قياس كفاءة تحويل الطاقة ، الذي كان يتطلب سابقًا أجهزة مختلفة باهظة الثمن مثل الفوسفور ، والخلايا الشمسية ، والتمثيل الضوئي (لقياس الطاقة الفعالة المحولة [طاقة الانبعاث ، والطاقة الكهربائية ، والطاقة الكيميائية]) ، يمكن إجراؤه باستخدام واحد طريقة بسيطة وموحدة.
إن الآفاق المستقبلية لهذه التقنية مثيرة: بمجرد تطويرها أكثر ، يمكن إجراء قياس كفاءة تحويل الطاقة حتى عملية التمثيل الضوئي في الأوراق "الحية". نأمل أن تحفز هذه النتائج وتسريع البحث الذي يهدف إلى تحسين كفاءة تحويل المواد وتحقيق مجتمع يتمتع بكفاءة تحويل عالية للطاقة.
من نحن جامعة طوكيو للعلوم
جامعة طوكيو للعلوم (TUS) هي جامعة معروفة ومحترمة ، وأكبر جامعة بحثية خاصة متخصصة في العلوم في اليابان ، ولها أربعة فروع في وسط طوكيو وضواحيها وفي هوكايدو. تأسست الجامعة عام 1881 ، وساهمت باستمرار في تطوير اليابان في مجال العلوم من خلال غرس حب العلم في الباحثين والفنيين والمعلمين.
مع مهمة "خلق العلم والتكنولوجيا من أجل التنمية المتناغمة للطبيعة والبشر والمجتمع" ، أجرت TUS مجموعة واسعة من الأبحاث من العلوم الأساسية إلى العلوم التطبيقية. تبنت TUS نهجًا متعدد التخصصات للبحث وأجرت دراسة مكثفة في بعض المجالات الأكثر حيوية اليوم. TUS هي نظام الجدارة حيث يتم التعرف على أفضل ما في العلم ورعايته. إنها الجامعة الخاصة الوحيدة في اليابان التي أنتجت الفائز بجائزة نوبل والجامعة الخاصة الوحيدة في آسيا التي أنتجت الفائزين بجائزة نوبل في مجال العلوم الطبيعية.
الموقع: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/
عن البروفيسور إيجي توكوناجا من جامعة طوكيو للعلوم
الدكتور إيجي توكوناجا أستاذ بكلية العلوم ، القسم الأول ، قسم الفيزياء بجامعة طوكيو للعلوم. أكمل دراسته الجامعية والدراسات العليا والدكتوراه في جامعة طوكيو. باحث كبير ومحترم وله أكثر من 82 مطبوعة باسمه. يعمل مع فريقه لاستكشاف التحليل الطيفي البصري وفيزياء المادة المكثفة. بعد أن أمضى ما يقرب من ثلاثة عقود في هذه المجالات ، قدم البروفيسور توكوناجا عدة مفاهيم جديدة تتعلق بالخصائص البصرية للمواد. يمكن العثور على بحثه في https://www.tus.ac.jp/en/fac/p/index.php?3b4e.
ما الذي يجب استخلاصه من هذه المقالة:
- They were able to use this technology to measure the heat spectrum (PTES) of a high-efficiency luminescent red phosphor of white LED, made by NIMS, successfully and compared it with their photoluminescence excitation spectrum (PLES), which showed the amount of light emitted by the phosphor as a function….
- To put in simple terms, energy conversion efficiency is the ratio of useful output of an energy-converting system like a plant and the total energy that it receives in the first place.
- Prof Tokunaga says, “Since about 2010, we have been working on increasing the sensitivity of photothermal deflection spectroscopy using an interferometer, and with the collective efforts of everyone including students, we could analyze samples in air that have seldom been analyzed before, giving us the ability to measure the absorption spectrum over the entire visible light range.
