وكثيرا ما يتم نشر الأدوات العلمية عن بعد في بعض الأماكن التي يتعذر الوصول إليها على الأرض من المساحات المجمدة في أنتاركتيكا إلى الأعماق المتحطمة في قاع المحيط، ومن ذروة الجبال المكشوفة بالرياح إلى صحراء محصنة من الشمس، وفي هذه المواقع، لا يمكن ببساطة أن يكون هناك خيار يتمثل في وجود وصلة شبكية موثوقة، ويتوقف نجاح البعثات العلمية الطويلة الأجل على نظم الطاقة التي يمكن أن تعمل بشكل مستقل لعدة أشهر أو حتى سنوات دون تدخل بشري.

العناصر الأساسية لنظم الطاقة المستقلة

ويجب أن يدمج نظام الطاقة المكتفية ذاتيا عدة كتل وظيفية تعمل معاً على جمع الطاقة وتخزينها وتنظيمها وتقديمها بصورة موثوقة في ظل ظروف قاسية، وتفصل الأقسام الفرعية التالية كل عنصر أساسي.

مصادر الطاقة المتجددة

وقد تأتي مدخلات الطاقة الأولية لمعظم النظم النائية من مصادر متجددة، فاللوحات الشمسية ذات الطابع الفوتوقراطي هي الأكثر شيوعاً بسبب انخفاض تكلفتها وموثوقيتها في الدول الصلبة، وإمكانية التصعيد، وقد تستخدم محطة الطقس القطبي نموذجية صفيفة شمسية تتراوح بين 300 و500 واقية، مقترنة باضطرابات ريحية صغيرة لاستخلاص الطاقة خلال الأيام الصيفية الطويلة، حيث تغيب الشمس عن الاضطرابات في أحواضان المحيط.

تخزين الطاقة

وتسد الفجوة بين الجيل والاستهلاك، لا سيما خلال فترات انخفاض الناتج المتجدد (الليل والهواء الهادئ والظلام الشتوي) - إن البطاريات المتقدمة لليثيوم هي المعيار الحالي للصكوك النائية بسبب كثافة الطاقة فيها، وطول العمر، وانخفاض درجة حرارة الذات، إذ يمكن استخدام خلايا الليثيوم المنخفضة الحرارة أو المكثفات الخارقة في كثير من الأحيان؛

إدارة وتنظيم السلطة

فنظام إدارة الطاقة القائمة على المراكب الصغرى هو مخ المنشأة، وهو يؤدي أقصى درجات التتبع لأجهزة توليد الطاقة الشمسية، وينظم رسوم البطاريات لمنع الإفراط في التصريف أو التصريف العميق، ويحول الفولط إلى مطابقة متطلبات الأداة (مثل 12 V، 24 V، أو 48 V DC).

الدعم والإعادة إلى الوطن

ولا يوجد مصدر متجدد واحد موثوق به بنسبة 100 في المائة، ويشمل نظام متين لاكتساب الذات عناصر احتياطية أو مهجنة، ويمكن أن توفر خلايا الوقود الصغيرة (مثل الميثانول أو الهيدروجين) الطاقة الكهربائية في حالات الطوارئ لأسابيع إذا فشلت الطاقة الشمسية والريح كليا، وكبديل لذلك، يمكن لمصرف بطارية ثانوي مخصص للشبكات الحرجة (مثل سجل البيانات) أن يخسر بيانات أساسية على الأقل.

اعتبارات التصميم المتعلقة بالنشر عن بعد

إن تصميم نظام للطاقة الذاتية الاستدامة ليس مجرد مسألة مطابقة لوحات الطاقة الشمسية للشحن، فالقيود الفريدة التي تواجهها المواقع النائية تفرض عمليات مقايضة حرجة يجب معالجتها في وقت مبكر من العملية الهندسية.

Environmental Extremes

كما أن المبردات تخفض القدرة على البطاريات وتزيد المقاومة الداخلية؛ وتعجل الحرارة تدهور الأجهزة الالكترونية وألواح الفولطية؛ ويمكن أن تؤدي الرذاذات والرمل إلى تآكل الموصلة والحد من مقاومة العزل؛ ويجب على المصممين اختيار مكونات تُقيَّم في بيئة محددة، مثل التغليف المطابق على لوحات التكديس الحراري، والوصلات المختومة، والتسخينات في المصانع المحتوية على المحتوية على المحتوية على المحتوية على المحتوية على المحتوية على التنظيف.

تقييم الإقراض الدقيق

فالنظام بأكمله مصمم على أساس موجز استهلاك الطاقة في الأداة، ويجب حصر كل جهاز استشعار، ومراقب، ووحدة اتصالات، ومشغل، بما في ذلك الطفرة الأولية والتيار العازل، ومن الشائع أن يكون تقديرا ناقصا للحاضر في سجلات البيانات أو متغيرات أجهزة تتبع لاسلكية، مما يؤدي إلى نقص في التخزين، وأفضل الممارسات هي إجراء مراجعة دقيقة للطاقة على دورة كاملة من الطرازات أو المتغيرات الموسمية.

الحد الأدنى من الصيانة

فالنفاذ عن بعد مكلف وخطير في كثير من الأحيان، إذ يمكن أن تكلف رحلة طائرة هليكوبتر إلى محطة جبلية آلاف الدولارات، كما أن زيارة سفينة إلى بواية المحيط تتطلب نوافذ جوية جيدة، ولذلك يجب اختيار المكونات لحياة طويلة وقليلا من الصيانة، ومن الأفضل أن تكون البطاريات الليثيوم التي تمتد مساحتها 10 سنوات على مدى الحياة، وأن تكون المركبات ذات مكونات لا تستخدم في استخدام أدوات ومقاومة للارتداد.

Scalability and Future-Proofing

وكثيرا ما تتوسع البعثات العلمية بمرور الوقت مع إضافة أجهزة استشعار جديدة أو زيادة معدلات أخذ العينات، وينبغي تصميم نظام الطاقة بقدرات إضافية للارتقاءات في المستقبل، وهذا يعني زيادة حجم المجموعة الشمسية في البداية (وتؤدي إلى وجود عدد قليل من الألواح الإضافية رخيص نسبيا) أو تصميم مصرف البطاريات لقبول نماذج إضافية، وينبغي أن يوفر نظام إدارة الطاقة الكهربائية مدخلات رقمية من طراز I/O وكميات قياسية للمستشعرات الجديدة، ووصلة الاتصالات (مثلا، I-withici

الامتثال في مجال التنظيم والسلامة

بل يجب أن تمتثل الصكوك النائية للأنظمة المحلية والدولية، فعلى سبيل المثال، يتطلب نشرها في أنتاركتيكا التقيد بالبروتوكولات البيئية لمعاهدة أنتاركتيكا، ويجب اتباع أنظمة الشحن ببطارية الليثيوم )UN 38.3( وفي البيئات البحرية، تطبق شروط الازدهار والوسم، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون النظام آمنا للحياة البرية: فالأسلاك المعرضة، أو الحواف الحادة، أو السيوف المتحركة يمكن أن تشكل مخاطرة.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وقد طبقت المبادئ المذكورة أعلاه بنجاح على مجموعة واسعة من التخصصات العلمية، فيما يلي أمثلة توضيحية عديدة تتضمن تفاصيل إضافية عن هيكل النظم وأدائها.

محطات البحوث القطبية

وتشغل الدراسة الاستقصائية البريطانية عن أنتاركتيكا محطات جوية آلية على ارتفاعات فوق ٠٠٠ ٣ متر، وتستخدم هذه المحطات نظاما هجينا قوامه ٤٠٠ لوحة شمسية وتركيبا للريح يبلغ ٣٠٠ دبليوك الرأسي، يُحمل على ٢٤ ف و ٥٠٠ آه ليثيوم - إيون بطاريات، وكثيرا ما يُصمم نظام PMS خصيصا لمعالجة محطات الريح الشديدة البرودة )حتى ٤٠ درجة مئوية( ويستخدم في ذلك الجيل المصابون.

الرصد الأوقيانوغرافية في أعماق البحار

وتحتاج أجهزة الاستنشاق والهرمونات المائية الطويلة الأجل إلى طاقة مستقلة لفترات تتراوح بين 12 و 24 شهراً، وتنشر هذه الأدوات في أعماق تبلغ 000 2 و 000 6 متر، حيث لا تتوافر طاقة شمسية، بل تستخدم عبوات البطارية الأولية (مثلاً، كلوريد الليثيوم) التي تستخدم فيها طاقة مصغرة تستخدم في إنتاج محركات المايكرويجين.

شبكة الاستشعار البيئي الصحراء

وفي صحف أطاكاما في شيلي - أحد الأماكن الأقل كثافة على الأرض - شبكة من رطب التربة ومستشعرات الغلاف الجوي تعمل على الطاقة الشمسية وحدها، ويستخدم كل عقدة جهازاً للاستبدال بالطاقة الشمسية الأحادية السعة 100 W، وبطارية قتالية من طراز V 100 Ah LiFePO4، وراكب للشحنات من طراز MPPT، ويصمم للصيانة العالية للأشعة (نحو 55 درجة مئوية)

منابر بالونات عالية السعة

وتحتاج البالونات العلمية التي تحلق في الستراتوسفير (30-40 كيلومتراً) إلى نظم للوزن الخفيف، وتحتوي على طاقة ذاتية للحمولات التي قد تدوم أسابيع، وكثيراً ما تستخدم هذه النظم ألواح ذاتية عالية الفولطام (وهي مرنة ووزن خفيف) مقترنة ببطاريات لليورانيوم الفلور، وتولد خلال النهار أكثر من كيلو متر في ارتفاع البالونات، حيث تضيف ضوء الشمس.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

إن ميدان نظم الطاقة الذاتية الاصطدام يمضي قدما بسرعة، مدفوعا بعلوم المواد، والإلكترونيات، والاستخبارات الاصطناعية، وعد العديد من الابتكارات بزيادة توسيع قدرات الصكوك العلمية النائية.

Advanced Energy Harvesting

كما أن محصولات الطاقة الكهربائية التي تحوّل اليقظة الميكانيكية إلى كهرباء، يجري إدماجها في طوافات المحيط لاستخلاص الطاقة الموجية، كما أن النماذج الأولية التي تولدت ما يصل إلى 50 ميلاً من موجة هز واحدة، بما يكفي لتوليد جهاز استشعار صغير.

البطاريات التالية

وتنتج البطاريات ذات العجلات الصلبة، التي تحتوي على معدن الليثيوم وكهرباء صلبة، كثافة طاقة أعلى (300-500 و/كغ) وتحسين السلامة مقارنة بالخلايا الكهروليتية السائلة، وهي تعمل أيضا على مدى حرارة أوسع، مما يجعلها مثالية بالنسبة للبيئات القطبية والصحراءية، وتستهدف شركات مثل كبش فداء الكبريت وجهاز سامسونغ للإنتاج التجاري في الوقت نفسه.

AI-Driven Power Management

ويمكن الآن أن تُتوقع خوارزميات التعلم من الآلات الشمسية المحلية وسرعة الرياح باستخدام بيانات من الصور الساتلية والمجسات الموجودة في الموقع، كما أن جهازاً من أجهزة الاستشعار من نوع " إتش بي إم " مجهزاً بشبكة عصبية صغيرة يمكن أن يقرر في الوقت الحقيقي ما إذا كان سيشحن البطارية أو يجري تجربة من رقائق الحمولة أو يدخل حالة تنبيه منخفضة، وعلى سبيل المثال، فإن نظاماً من أجهزة الاستشعار من بعد بعد

نقل الطاقة اللاسلكية

أما بالنسبة للصكوك التي يصعب ربطها جسدياً - مثل أجهزة الاستشعار المثبتة في الأنهار الجليدية أو المدفونة في نقل الطاقة اللاسلكية عبر مسافات قصيرة )عن طريق التصادم الاستباقي أو التصادم المغناطيسي المتردد( فيمكن أن تلغي الحاجة إلى اختراقات تمس الفقمات، وقد أثبت الباحثون كفاءة بنسبة 90 في المائة على عدد قليل من أجهزة التحكم في الموجات الطويلة أو أجهزة التحكم بالجرعات الآلية غير المتحركة.

خاتمة

إن تصميم نظام للطاقة الذاتية المكتفية للصكوك العلمية النائية يشكل تحديا متعدد التخصصات يتطلب خبرة في مجال هندسة الطاقة، وعلم المواد، والإلكترونيات، والعلوم البيئية، ومن خلال اختيار مصادر الطاقة المتجددة وإدماجها بعناية، والتخزين القوي، وإدارة الطاقة الذكية، والتكرار الفكري، يمكن للمهندسين أن يخلقوا نظما تعمل بشكل موثوق به لسنوات قليلة، وتظهر الأمثلة على ذلك من نظم المحصول القطبية والبحرية والصحراء والبيات العالية.

ولمزيد من القراءة، استكشاف الموارد التالية: