سر تباطؤ الزمن

                                    سر تباطؤ الزمن

 الزمن والساعات المتحركة الزمن لا يبدو كما نريده أبداً. فهو لا يكون كافياً على الإطلاق إذا ما تأخرنا عن العمل أو المدرسة، ولكنه يكون طويلاً جداً في يوم يشتد فيه هطول المطر ونحن بانتظار الحافلة. وبعيداً عن كل تلك الإزعاجات فإن الزمن يبدو كأنه يتدفق بسلاسة لا يعكر نسقه أي تغير، وهذا التدفق دقيق جداً حتى إننا نضبط حياتنا وفقاً له. فنحن نبدأ يومنا، ونعمل، ونأكل، ونخلد ليلاً إلى الفراش عندما تخبرنا الساعة بذلك، فالزمن يبدو لنا ثابتاً. ساعة شمسية، هل الوقت ثابت؟ لعل فكرة تدفق الزمن الثابت واضحة، ولطالما كانت هي الفكرة السائدة على مر التاريخ حيث اعتقد إسحاق نيوتن، في الوقت الذي لم يتجاهل فيه تفاحته الشهيرة، أن الزمن ثابت، وهو الذي طرح فكرة التصور الكوني (Clock Universe) التي من خلالها يمكننا معرفة المستقبل والماضي على حد سواء فيما إذا تمكّنا من تحديد أين كان كل جسيم وبأي اتجاه تحرك وبأي سرعة. وقد افترض هذا النموذج، على نحو معقول، أن الزمن يتدفق بمعدلٍ ثابت. وبرغم عبقرية نيوتن الفذة إلا أنّه كان مُخطئاً بصورة مفاجئة.  يمضي الزمن في الساعات المتحركة على نحوٍ أبطأ، وهو مفتاح فهم النسبية الخاصة نشر العالم ألبرت أينشتاين عام 1905 نظريته في النسبية الخاصة (Special Theory of Relativity)، وفي هذه النظرية لم يُفتَرض الزمن على أنه كيان منفرد يتدفق باستمرار بل جزء من نظام أكثر تعقيداً مرتبطٌ بنظام الفضاء نفسه. يدعى ذلك بالزمكان (Space-Time). ولأن الزمن والمكان جانبان لكيان واحد، فمن المستحيل الانتقال في المكان دون أن يصاحبه انتقال في الزمان أيضاً، إذاً يُعدّ الزمن متغيراً بالنسبة لأي شيء متحرك. من النتائج المذهلة للنسبية الخاصة هو تباطؤ الزمن في ساعة متحركة بالنسبة لراصد ثابت. بالطبع هناك أنواع عديدة من الساعات منها الساعات الرقمية، والساعات الآلية، والساعات الذرية، بالإضافة إلى الساعات البيولوجية الخاصة بنا، لكنها كلها تتأثر بالتساوي بالمبدأ نفسه وهو أنّ الزمن في الساعات المتحركة يمضي على نحوٍ أبطأ.  كيف يتباطأ الزمن في الساعات؟  هنا يتبادر الى أذهاننا سؤال منطقي وهو إذا كان الزمن يتباطأ في الساعات المتحركة، فلماذا إذاً لا نلاحظ التغير الحاصل؟    هناك سببين لتفسير ذلك  إذا تحركنا فإن حركتنا ستكون بطيئةً جداً لحدوث تغير محسوس.  حتى لو مضينا بسرعة كافية لحدوث تباطؤ في الزمن فلن نلاحظ ذلك لأنّ ساعاتنا البيولوجية ستتباطأ أيضاً بنفس النسبة. تبلغ سرعة الضوء نحو 300 ألف كيلومتر في الثانية (186300 ميل في الثانية)، وإنَ أي تغير في الزمن لن يكون محسوساً حتى نصل إلى سرعات عالية مقاربة لأجزاء من سرعة الضوء. وعلى أي حالٍ فعند السرع العالية والقريبة من سرعة الضوء سيزداد تباطؤ الزمن بسرعة كبيرة جداً حتى يتوقف تماماً. إن تباطؤ الساعات الناتج عن زيادة السرعة يسمى تباطؤ الزمن (Time Dilation) ويمكن التعبير عنه بعلاقة رياضية دقيقة. وللوصول إلى فهم أفضل، وُضعت هذه المعادلة هنا، لكن بإمكانك تخطيها والانتقال مباشرة إلى الرسم البياني أسفلها.  معادلة تباطؤ الزمن عندما تُرسم المعادلة الآنفة الذكر برسم بياني، نستطيع ببساطة ملاحظة التأثير الكبير لتباطؤ الزمن كلما اقتربنا من سرعة الضوء. الرسم البياني ملاحظة التغير البسيط في تباطؤ الزمن عند السرعات القليلة (أي لا يتغير تدفق الزمن بشكل كبير). يُمكننا من الرسم البياني ملاحظة التغير البسيط في تباطؤ الزمن عند السرعات القليلة (أي لا يتغير تدفق الزمن بشكل كبير). لكن عند ازدياد السرعة إلى أكثر من 75% من سرعة الضوء فإن تباطؤ الزمن سيزداد بشكل كبير جداً. وحتى عند السرعة القليلة التي تصل إلى 10% من سرعة الضوء (300000 كم/ثانية أو 186300 ميل/ثانية) فإن ساعاتنا ستتباطأ بما يقارب 1% فقط.   لكن إذا ما تحركنا بسرعة تصل إلى 95% من سرعة الضوء فإن الزمن سيتباطأ بمقدار ثلث الزمن المقاس بواسطة الراصد الثابت. لاحظ أنه لايوجد أي تباطؤ في الزمن عند 0% من سرعة الضوء. وأيضاً، عندما يكون بإمكاننا الوصول إلى ما يقارب سرعة الضوء بالقدر الذي تسمح به التكنولوجيا، فإنه من المستحيل الوصول إلى 100% من سرعة الضوء. بناءً على ما سبق، فإننا إذا ما تحركنا بأي سرعة كانت فإن الزمن يتباطأ نسبة إلى راصد ثابت. لكن لاحظ ذلك، فعلى سبيل المثال سيمرّ الوقت بشكل طبيعي بالنسبة لراكبي الصواريخ المسافرة بسرعة عالية جداً، ومع ذلك فإنهم إذا ما استطاعوا مراقبة ساعة على الأرض فسيلاحظون أنها تمضي بشكل سريع جداً.   ومن ناحية أخرى إذا ما تمكن راصد أرضي من مراقبة ساعة على متن الصاروخ فسيلاحظ أنّها تمضي بشكل بطيء جداً، ومن هنا جاءت تسمية النظرية بالنسبية نظراً لأن الزمن نسبي لأي راصد يراقبه بسرعة معينة.  الحد الكوني للسرعة هناك سؤال طالما تم طرحه حول النسبية الخاصة وهو ماذا سيحدث إذا تجاوزنا سرعة الضوء؟ في بعض الأحيان تتم الإجابة عن هذا السؤال بأننا سنعود بالزمن إلى الوراء، لكن نظرية النسبية الخاصة ببساطة تخبرنا باستحالة حدوث ذلك. فالعالم له حدود للسرعة وهي سرعة الضوء وله أيضاً طريقة ذكية تمنعنا من تجاوز هذه الحدود. فكلما زادت سرعتنا زادت كتلتنا الظاهرية (كما تقاس بواسطة راصد) بعلاقة طردية مع السرعة.  في الحقيقة تبدو كتلتنا وكأنها تزداد بنفس النسبة التي يتباطأ بها الزمن (بطريقة مشابهة للرسم البياني السابق)، ونحن نعلم من تجاربنا اليومية أنه كلما كانت كتلة الجسم أكبر كلما احتاج إلى طاقة أعلى لتحريكه.  فإذا حاولنا تحريك جسم بنسبة 0% من سرعة الضوء فسنستنتج أنّ له الكتلة التي نتوقعها. برغم ذلك ستزداد كتلة الجسم كلما ازدادت سرعته، فعلى سبيل المثال عند تحريك جسم بسرعة 99.5% من سرعة الضوء فسيزن الجسم عندها ما يقارب 10 أمثال وزنه في حال كان ساكناً. كلما زادت سرعتنا زادت كتلتنا الظاهرية (كما تقاس بواسطة راصد) بعلاقة طردية مع السرعة. مع ازدياد سرعتنا زيادة كبيرة جداً، تزداد الكتلة الظاهرية وتزداد الطاقة المطلوبة لتحريك الجسم وفقاً لذلك. وبالوصول لسرعة الضوء فإنّ الأمر يتطلب طاقة لا نهائية لتحريك أي جسم. وبما أنه من المستحيل الحصول على طاقة لا نهائية فلن نستطيع الوصول إلى سرعة الضوء (ولكن قد نقترب منها بقدر ما لدينا من الطاقة، وما تسمح به التكنولوجيا).  لاحظ أيضاً أن الراكب على متن صاروخ مسافر بسرعة كبيرة لن يكون مدركاً زيادة الكتلة بالضبط كعدم إدراكه لنسبة تغير الزمن. ولن يلاحظ أي فرق في الكتلة إلا إذا ما قام بقياس كتلة مراقب ثابت، فروّاد الفضاء يدركون أنّ كل ما حولهم قد غيّر كتلته في حين أن كتلتهم تبدو كأنها ثابتة. على أي حال هناك شيء ما يتحرك بسرعة الضوء، وبالطبع: إنه الضوء!  ماهي النتائج المترتبة على تباطؤ الزمن؟ واحدة من أغرب نتائج تباطؤ الزمن هي ما يدعى بمفارقة التوأم (twin paradox). في هذه المفارقة يُرسل أحد التوأمين إلى الفضاء بسرعة هائلة وكنتيجة لهذه السرعة فإن جميع الساعات على متن صاروخه ومن ضمنها ساعته البيولوجية أيضاً ستتباطأ وفقاً لمبدأ أنّ الزمن في الساعات المتحركة يمضي على نحوٍ أبطأ. وحين يعود التوأم سيكون أصغر عمراً من أخيه التوأم الذي بقي على سطح الأرض حيث يمضي الزمن بصورة طبيعية. يمكن إيجاد تفاصيل أكثر حول هذا الموضوع في صفحة النسبية الخاصة في 15 دقيقة. وكتوضيح لتباطؤ الزمن دعنا نلقي نظرة على مجموعة من الناس تقتضي وظيفتهم قضاء وقتهم في سحق جسيمات صغيرة مع بعضها لاكتشاف ما سيحدث لها، هؤلاء الأشخاص هم فيزيائيو الجسيمات (أو فيزيائيو الطاقة العالية). وبالنسبة لمثل هؤلاء العلماء فإن النسبية هي جزء رتيب من عملهم، الذي في الحقيقة قد يكون صعباً أو حتى مستحيلاً بدونها.   فالجسيمات التي يسحقونها مرتبطة مع بعضها بقوة كبيرة وتحتاج إلى طاقة كبيرة جداً لتحطيمها. وواحدة من الطرق (لكن ليست الوحيدة) لمد الجسيم بالطاقة المطلوبة هي تحريكها بسرعة كبيرة جداً في حلقة مغناطيسية كبيرة تُدعى مسرعات الجسيمات (particle accelerators). ويعتبر هذا البحث مهماً جداً فمعظم دول العالم تستخدم مثل هذا الآلة، وهذا هو المسرع الذي تستخدمه المنظمة الأوربية للأبحاث النووية "سيرن CERN". سيرن كما تلاحظ فإن تحطيم الجسيمات الصغيرة يتطلب آلات كبيرة جداً. العديد من التجارب كان ليكون أسرع بكثير لولا حقيقة تباطؤ "الساعات" الداخلية لهذه الجسيمات بسبب السرعات العالية والنسبية الخاصة. فعلى سبيل المثال عندما يتصادم جسيمان -ذرتان مثلاً- مع بعضهما عند سرعات هائلة فقد تلتصقان لحظياً مكونتان بذلك جسيم معين. تنهار معظم هذه الجسيمات الثقيلة حالاً خلال إطار زمني قصير جداً قد لا يتجاوز في بعض الأحيان جزءاً من ترليون جزءٍ من الثانية. وبتسريع هذه العملية سيكون من الممكن تزويد الجسيمات الأصلية بالطاقة الكافية لدمجها مع بعضها، ليس ذلك وحسب بل ستبقى الجسيمات الجديدة الناتجة لفترة أطول وفقاً للكيفية التي وضعتها النسبية الخاصة عند السرع العالية التي تتحرك بها. هناك نتيجة إضافية للحركة -أي حركة- وهي أنّ المسافة تتقلص في اتجاه الحركة بالرغم من هذه النتيجة لا تبدو واضحةً إلا عند سرعة قريبة من سرعة الضوء. فمثلاً لنفترض أننا بدأنا برحلة باتجاه نجم يبعد عن الأرض 100 سنة ضوئية وإن سرعتنا كانت 99% من سرعة الضوء.   منطقياً ستستغرق الرحلة 100 سنة، لكن هذه النتيجة لم تأخذ تباطؤ الزمن بالحسبان. فبدلاً من ذلك سنصل إلى النجم بحدود 14.1 سنة فقط وذلك بسبب تمدد المسافة. فكلما مضينا بسرعة أكبر كلما زاد التباطؤ بطريقة خيالية، ولذلك فعند 99.9% من سرعة الضوء سنصل فقط بـ 4.5 سنة وعند 99.99 من سرعة الضوء سنصل بنحو 1.4 سنة. يمكنك تجربة ذلك لقيم مختلفة للمسافة والسرعة بإدخالها في حاسبة التباطؤ هنا.    سرعة الضوء لا حاجة للقول إن الضوء ينتقل بسرعة الضوء. لكن السؤال هو كيف يمكن للضوء فعل ذلك، ولماذا لا يحتاج لقدر لا نهائي من الطاقة ليبلغ تلك لسرعة؟ الجواب هو عدم امتلاك الجسيمات المكونة للضوء (التي تسمى السكون(Rest Mass). فالفوتونات تتحرك باستمرار لكن إذا ما تمكنا من إيقاف أحدها وقياس وزنه، سنجد أن ليس له كتلة. لكن يمكننا القول باختصار إن كل التجارب التي أُقيمت لإيجاد كتلة الفوتونات باءت بالفشل، ليس ذلك وحسب بل أثبتت التجارب أيضاً أن الضوء عديم الكتلة. ومهما يكن الحال فإن الضوء لا ينتقل دائماً بسرعة الضوء، ولا يتطلب إبطاؤه الكثير. فبإمكانك الآن قراءة هذا المقال فقط بسبب الضوء الذي إما صادر عن شاشتك أو منعكس عن نسختك الورقية، حيث يصطدم الضوء بالجزء الخلفي من عينيك ويحاكي نوعاً خاصاً من الخلايا التي بدورها ترسل صورة لدماغك. يبطئ الهواء الذي بين عينيك وهذه الكلمات الضوء بينهما بنحو 50 كم/ساعة (30 ميل/ساعة). وعلى الرغم من أنّ هذه نسبة ضئيلة جداً من سرعة الضوء المعتادة، لكن يجب علينا أن نكون دقيقين عندما نقول إن الضوء ينتقل بسرعة الضوء. في الحقيقة فإن الضوء ينتقل بسرعة الضوء في الفراغ فقط، كالفضاء مثلاً. وعندها تكون سرعته نحو 300 ألف كم/ساعة (18300 ميل/ساعة)، وعند هذه السرعة بإمكانه الدوران حول العالم 7 مرات كلّ ثانية. مما لا شكّ فيه أن هذه سرعة خارقة، لكن من ناحية حجم الكون يبدو ذلك بطيئاً على نحوٍ مفاجئ. فمثلاً يستغرق الضوء نحو 1.5 ثانية ليصلنا من القمر، و8.5 دقيقة ليصلنا من الشمس و25.4 سنة ليصلنا من أقرب نجم لمجموعتنا الشمسية و14 مليار سنة ليصلنا من أبعد جسم تم رصده حتى الآن. إن مليون أو مليار سنة مدة طويلة جداً بالتأكيد. لكننا ربما نكون قد نسينا شيئاً. فنحن نقيس الزمن وفقاً لساعاتنا الأرضية، وبالنسبة لمعظم الأجسام في الفضاء تعد ساعاتنا قريبةً جداً من حالة السكون. فكيف يمكن إذن لفوتون ينتقل بسرعة الضوء أن يختبر الزمن؟  إذا ما نظرت الى السماء في ليلة صافية وفي الوقت المناسب من السنة (شتاءً في نصف الكرة الشمالي مثلاً) سترى نموذجاً من النجوم تبدو كما في الصورة أدناه تُعرف بكوكبة المرأة المسلسلة "أندروميدا" constellation of Andromeda. كوكبة المرأة المسلسلة "أندروميدا" constellation of Andromeda يُعرف الجسيم المشار إليه في الصورة بـ M31 أو مجرة المرأة المسلسلة، وهي تشبه قليلاً مجرتنا درب التبانة. وفي ليلة صافية يمكنك رؤيتها كلطخة خافتة ضبابية في السماء. وبالنسبة لأغلب الناس فإنها أبعد جسم من الممكن رؤيته بالعين المجردة.  مجرة المرأة المسلسلة، وهي تشبه قليلاً مجرتنا درب التبانة تبين الصور المأخوذة بالتلسكوب أنها تتكون من ملايين وملايين النجوم، والعديد منها يشبه شمسنا. تُعدّ مجرة المرأة المسلسلة بعيدة جداً عنا حيث يستغرق الضوء الواصل منها إلينا (كما يقاس بواسطة ساعاتنا الأرضية) أكثر من مليوني سنة ضوئية. على كل حالٍ، فإن الفوتون المنبعث من نجم في مجرة المرأة المسلسلة والمتجه نحو الأرض في الفراغ، ولأنه فوتون، ينتقل بسرعة الضوء. وبما أن الفوتون ينتقل بسرعة الضوء فإن عامل تباطؤ الزمن له يساوي 100%. بالنسبة للفوتون لا يوجد زمن إلا إذا ضرب الغلاف الجوي العلوي لكوكبنا وبعد ذلك يبدأ بالتباطؤ بنسبة قليلة جداً. إذاً، بالنسبة لفوتون في الفضاء فإن الزمن أو المسافة لا معنى لهما على الإطلاق، وهذا الأمر محيراً للعقل.الفوتونات) أي كتلة، وبصورة أدق فإنها لا تملك كتلة في حالة كونها ثابتة بالنسبة لراصد -تُعرف هذه الكتلة بكتلة السكون(Rest Mass). فالفوتونات تتحرك باستمرار لكن إذا ما تمكنا من إيقاف أحدها وقياس وزنه، سنجد أن ليس له كتلة. لكن يمكننا القول باختصار إن كل التجارب التي أُقيمت لإيجاد كتلة الفوتونات باءت بالفشل، ليس ذلك وحسب

بل أثبتت التجارب أيضاً أن الضوء عديم الكتلة. ومهما يكن الحال فإن الضوء لا ينتقل دائماً بسرعة الضوء، ولا يتطلب إبطاؤه الكثير. فبإمكانك الآن قراءة هذا المقال فقط بسبب الضوء الذي إما صادر عن شاشتك أو منعكس عن نسختك الورقية، حيث يصطدم الضوء بالجزء الخلفي من عينيك ويحاكي نوعاً خاصاً من الخلايا التي بدورها ترسل صورة لدماغك. يبطئ الهواء الذي بين عينيك وهذه الكلمات الضوء بينهما بنحو 50 كم/ساعة (30 ميل/ساعة). وعلى الرغم من أنّ هذه نسبة ضئيلة جداً من سرعة الضوء المعتادة، لكن يجب علينا أن نكون دقيقين عندما نقول إن الضوء ينتقل بسرعة الضوء. في الحقيقة فإن الضوء ينتقل بسرعة الضوء في الفراغ فقط، كالفضاء مثلاً. وعندها تكون سرعته نحو 300 ألف كم/ساعة (18300 ميل/ساعة)، وعند هذه السرعة بإمكانه الدوران حول العالم 7 مرات كلّ ثانية. مما لا شكّ فيه أن هذه سرعة خارقة، لكن من ناحية حجم الكون يبدو ذلك بطيئاً على نحوٍ مفاجئ. فمثلاً يستغرق الضوء نحو 1.5 ثانية ليصلنا من القمر، و8.5 دقيقة ليصلنا من الشمس و25.4 سنة ليصلنا من أقرب نجم لمجموعتنا الشمسية و14 مليار سنة ليصلنا من أبعد جسم تم رصده حتى الآن. إن مليون أو مليار سنة مدة طويلة جداً بالتأكيد. لكننا ربما نكون قد نسينا شيئاً. فنحن نقيس الزمن وفقاً لساعاتنا الأرضية، وبالنسبة لمعظم الأجسام في الفضاء تعد ساعاتنا قريبةً جداً من حالة السكون. فكيف يمكن إذن لفوتون ينتقل بسرعة الضوء أن يختبر الزمن؟  إذا ما نظرت الى السماء في ليلة صافية وفي الوقت المناسب من السنة (شتاءً في نصف الكرة الشمالي مثلاً) سترى نموذجاً من النجوم تبدو كما في الصورة أدناه تُعرف بكوكبة المرأة المسلسلة "أندروميدا" constellation of Andromeda. كوكبة المرأة المسلسلة "أندروميدا" constellation of Andromeda يُعرف الجسيم المشار إليه في الصورة بـ M31 أو مجرة المرأة المسلسلة، وهي تشبه قليلاً مجرتنا درب التبانة. وفي ليلة صافية يمكنك رؤيتها كلطخة خافتة ضبابية في السماء. وبالنسبة لأغلب الناس فإنها أبعد جسم من الممكن رؤيته بالعين المجردة.  مجرة المرأة المسلسلة، وهي تشبه قليلاً مجرتنا درب التبانة تبين الصور المأخوذة بالتلسكوب أنها تتكون من ملايين وملايين النجوم، والعديد منها يشبه شمسنا. تُعدّ مجرة المرأة المسلسلة بعيدة جداً عنا حيث يستغرق الضوء الواصل منها إلينا (كما يقاس بواسطة ساعاتنا الأرضية) أكثر من مليوني سنة ضوئية. على كل حالٍ، فإن الفوتون المنبعث من نجم في مجرة المرأة المسلسلة والمتجه نحو الأرض في الفراغ، ولأنه فوتون، ينتقل بسرعة الضوء. وبما أن الفوتون ينتقل بسرعة الضوء فإن عامل تباطؤ الزمن له يساوي 100%. بالنسبة للفوتون لا يوجد زمن إلا إذا ضرب الغلاف الجوي العلوي لكوكبنا وبعد ذلك يبدأ بالتباطؤ بنسبة قليلة جداً. إذاً، بالنسبة لفوتون في الفضاء فإن الزمن أو المسافة لا معنى لهما على الإطلاق، وهذا الأمر محيراً للعقل.

 

المصدر: https://nasainarabic.net/education/articles/view/time-dilation

( ناسا بالعربي، 2016، سر تباطؤ الزمن، ترجمة زيني الطويل)

في تفسير نشأة الكون وتطوره

             

 ضمن تفسيرات نشأة الكون وتطوره أعلن علماء الفلك أنهم رصدوا تموجات في منظومة الزمان-المكان تمثل أصداء لعملية تمدد الكون الهائلة التي حدثت فور وقوع الانفجار العظيم.

ويمثل هذا الاكتشاف إنجازا يتوج الفتوحات الكبيرة للفكر البشري في فهم كيف نشأ الكون منذ الأزل وتطوره في صورة أعداد لا تحصى من المجرات والنجوم والسدم ومساحات شاسعة في أقطار الفضاء.

فقبل قرن من الزمن تنبأ العالم ألبرت أينشتاين بهذه التموجات في منظومة الزمان-المكان (الزمكان) التي يطلق عليها أيضا موجات الجاذبية.

وتقول النظرية العامة بأن قوانين الكون واحدة لكل الأجسام بصرف النظر عن حالات حركتها وأن الحركة غير المنتظمة (المتسارعة) مثلها مثل الحركة المنتظمة كلتاهما حركة نسبية وتقول أيضاً بأن المادة هي التي تتسبب في انحناء منظومة الزمان-المكان (الزمكان) ويزيد هذا الانحناء بزيادة كثافة المادة في الفضاء وكلما زاد الانحناء أبطأ الزمن من سيره.

وتقول هذه النظرية أيضاً بمبدأ التكافؤ أي التعادل بين عزم القصور الذاتي وقوة الجاذبية الأرضيةوبأن الضوء يسير في خطوط منحنية حينما يقترب من جرم كوني ذي جاذبية كبيرة.

بوابة الشرق الإلكترونية
https://www.al-sharq.com/article/18/03/2014/

د.عبد المجيد حميد الكبيسي: التربية البيئية - رؤية منهجية ومنظور شامل -

                                                                       

صدر حديثا  عن دار الإعصار العلمي كتاب التربية البيئية - رؤية منهجية ومنظور شامل -

من مؤلفات د. عبدالمجيد حميد الكبيسي

عنوان الكتاب:             التربية البيئية - رؤية منهجية ومنظور شامل -

 الفئات:           تربية، التلوث البيئي ، مكافحة التلوث ،المخاطر الصحية.

المؤلفون:         د. عبد المجيد حميد الكبيسي

ISBN  :          978-9957-98-337-6

الناشر:            دار الإعصار العلمي للنشر والتوزيع

تاريخ النشر:     2019مـ -1440هـ

الاصدار:         طبعة أولى

عدد الصفحات:  632 صفحة

اللغة:              العربية

وصف الكتاب:      

يتناول هذا الكتاب المبادئ النظرية للتربية البيئية ومقاربات جوانبها العملية، بوصف التربية البيئية علماً تطبيقياً يتجلى بالفعل والممارسة وليست فكراً نظرياً فحسب. وذلك وفق رؤية منهجية  لتفاصيلها من خلال إعمالها المنهج وعناصره ومداخل بناءه وما يتبعه في مختلف القضايا البيئية والمواضيع الدراسية.. ووفق منظور شامل لفلسفتها، وأهدافها، ومحتواها، وأطرها المفاهيمية، ومنظوميتها، واهميتها، ووظائفها، ومشكلاتها، ومناحيها التطبيقية، واستراتيجيات ومداخل وطرق وأساليب تدريسها والكفايات المرتبطة بها، وفق ظروف المكان: عالمياً واقليمياً ومحلياً، وظروف الزمان: نشأتها وتطورها واستشراف مستقبلها، وعلى المستويين النظامي –المدرسي، وغير النظامي- غير المدرسي، والابعاد الأخرى، محاولا تقديم لبنة بنيوية عصرية للتربية البيئية ضمن تركيبها العالمي والإقليمي والمحلي ونسيجها الاجتماعي،  لعله يكون إضافة عملية وتربوية للثقافة البيئية قد تخدم الأجيال الحالية والقادمة..

والكتاب قد يمثل خطوة متّئدة على طريق توسيع فعاليات التنشئة البيئية (لمختلف الإعمار وخصوصا الأطفال) التي تسعى لإعداد الإنسان ثقافيا وحضاريا ومهنيا لأداء دور ايجابي خلاّق في المجتمع والتعامل والتفاعل الإيجابي مع البيئة، نحو الارتقاء  الى مستوى  أخلاق بيئية متميزة تضع الإنسان أمام  مسؤولياته وجها لوجه، وتضمن للبيئة توازنها وتناسقها وتكاملها مع الأنظمة والنواميس الكونية.. ولن يتحقق ذلك إلا من خلال معطيات تتصاعد بتظافر جهود التربويين والمجتمع على نحو متناسق ومتكامل ومتوازن، نحو الوصول الى التنور البيئي الذي يمثل قمة نواتج التعلم للفرد في إطار علاقة "الإنسان والحياة والكون والوجود". ولعل فلسفة التربية البيئية هنا هي الدعوة العامة لكل البشر للمحافظة على البيئة حاضراً ومستقبلاً.

ويحاول  الكتاب التأكيد على القضايا العصرية للتربية البيئية وتداعياتها الخطرة، من خلال محاولة إقرار "التربية البيئية" في أذهان الأفراد، وزيادة معارفهم عنها وعملهم على رعايتها، بوصفها مادة أساسية في النظام التربوي في العراق والمنطقة العربية التي لاتزال تعطي لهذا الاتجاه اهتماماً فاتراً، في عصر تتسارع  فيه خطى التحديات البيئية في العالم وليس في المنطقة العربية فقط، وإمكانية الاستفادة من هذا الكتاب للتدريس والتعليم البيئي في كافة المراحل الدراسية ومستوياتها، فالتربية البيئية جهد مجتمعي تشترك في تحقيقه جميع الجهود الرسمية وغير الرسمية ذاتياً وموضوعياً، بتبني قيم جديدة وسلوكيات إيجابية وقرارات سديدة. ولعل في مقدمة أمر التربية البيئية العناية بالسلوك الإنساني وتنميته وتطويره وتغييره، إذ تهدف الى تزويد أفراد الجيل بالمهارات والمعتقدات والاتجاهات وأنماط السلوك المختلفة التي تجعل منهم مواطنين متنورين صالحين في مجتمعهم، متكيفين مع الجماعة التي يعيشون بينها، وينظرون باحترام الى البيئة بكل أنظمتها ومحتوياتها.

يتألف الكتاب من (15) فصلاً ومقدمة، كرس الفصل الأول لموضوع "دراسة التربية البيئية": خلفيتها النظرية، مشكلتها وأهميتها. ويستعرض الفصل الثاني مفهوم التربية البيئية بصيغه ومعانيه المتعددة ومداخل تحليله، والتطور المفاهيمي للتربية البيئية وعناصرها وخصائصها. ويعالج الفصل الثالث فلسفة التربية البيئية وأسسها ومنطلقاتها ومبادئها. أما الفصل الرابع فيتولى التعامل مع منهجية التربية البيئية متضمنة المنهج الدراسي وعناصره ومداخل بنائه، والتركيز على المدخل البيئي وتداخله مع المداخل التربوية الأخرى، وأساليب إدخال التربية البيئية في المناهج الدراسية. ويعرض الفصل الخامس أهداف التربية البيئية وتصنيفها وبيان الأهداف العامة لها وأهدافها السلوكية، ثم استعراض الأهداف العامة للثقافة البيئية والإعلام البيئي، وخلاصة الأهداف الأساسية في مجال التربية البيئية، ثم دراسة محتوى التربية البيئية وتكامله مع عناصر المنهج المدرسي، ومجالات إطاره العام، وإعطاء أمثلة عن أجندته المعاصرة. ويتناول الفصل السادس استراتيجيات ومداخل وطرائق وأساليب ونماذج تدريس التربية البيئية وخططها. ويعكس الفصل السابع كفايات تعليم– تعلم  التربية البيئية، متضمناً الكفايات التدريسية لمعلم التربية البيئية سواء في إعداده أو تدريبه أثناء الخدمة، ودائرة التعلم والتعليم وخصوصاً في الثلاثية البيئية. ويبين الفصل الثامن مفهوم وسمات أهم الاتجاهات البيئية وتكوينها وتعديلها وقياسها وعلاقاتها الوظيفية. ويغطي الفصل التاسع معطيات منظومية التربية البيئية متضمنة النظام والمنظومة التربوية البيئية، وعلاقة نظام التربية البيئية مع النظم التربوية الأخرى، والمعالجات الخطية والمنظومية للقضايا البيئية في العلوم البيئية. ويعطي الفصل العاشر فكرة إجرائية عن التقويم التربوي في التربية البيئية بأنواعه المختلفة ونشاطاتها البرمجية. ويغطي الفصل الحادي عشر أهمية التربية البيئية ووظائفها وتدعيمها ومشكلاتها. أما الفصل الثاني عشر فيميز بين التربية البيئية المدرسية وغير المدرسية، في مجالات مؤسساتها ووسائطها وبرامجها ومشاريعها، والمستهدفين والمطلوب منها. ويقدم  الفصل الثالث عشر نبذة عن نشاطات برامج  التربية البيئية عالميا وإقليميا ومحليا. ويتربع الفصل الرابع عشر من هذا الكتاب على قمة فصوله بمؤشرات رؤية إسلامية نحو التربية البيئية، تتضمن موقف الإسلام من القضايا البيئية وفلسفتها وتطبيقاتها، واستعراض أهم القيم البيئية فيه، ومعطيات التربية البيئية الإسلامية من خلال القرآن الكريم والسنة النبوية المطهرة. ويختتم الفصل الخامس عشر بسرد مرّكز حول بعض الدراسات السابقة عن التربية البيئية، العربية منها والأجنبية، مصنفة وفقاً للمعارف المنهجية، والاتجاهات، والدراسات البيئية، وتبعاً للكفايات في إطارها المنهجي والتقويمي، وعرض أهم نتائجها وتوصياتها التي تعطي إشعاعاً ثاقباً لدراسة التربية البيئية وفق الرؤية المنهجية والمنظور الشامل.     

صدرحديثا كتاب " الإنسان والبيئة- رؤى بيئية تربوية" من مؤلفات د.عبدالمجيد حميد الكبيسي

د.عبدالمجيد حميد الكبيسي : نظرة عامة الى القضايا البيئية

نظرة عامة الى القضايا البيئية

د.عبدالمجيد حميد الكبيسي

مقدمة الى ندوة التلوث البيئي المقامة على قاعة التدريب التربوي

 في المديرية العامة لتربية الأنبار بتأريخ 20/6/2003

تعاملت البشرية منذ اول وجودها على احترام الطبيعة والتعامل معها بكل احترامو تبادل منفعة، الى درجة ان الانسان ( بحكم ضعف إدراكه) كان يعبد الطبيعة، إذ كانت الاديان الاولى ( الوضعية ) تقدسها، وتمارس طقوس عبادة الشمس والنار والماء وغيرها، وقد عمل الانسان على محاولة تفسير وتنظيم علاقته الروحية مع الطبيعة المسؤولة من وجهة نظره عن حياته وموته، وذلك من اجل الاستفادة من خيراتها وتجنب غضبها , ونتيجة لذلك نشأت اولى الحضارات التي استمدت قوتها من عوامل الطبيعة كتوفر مصادر المياه والتربة الصالحة للزراعة والمصادر الطبيعية للغذاء ( النباتية والحيوانية ) والصيد والاستفادة من المصدر، وكيفية تجنب الكوارث الطبيعية كالفيضانات والزلازل والحرائق من خلال نشوء المجتمعات الاولى وتنظيم الزراعة وانشاء السدود. ومع تطور الزمن والحضارة تدرجت العبادات بالانفصال عن الطبيعة المجردة لتصل الى الارتباط بالسماء والفكر المطلق.

واستمرت هذه العلاقة الوطيدة بين الانسان ومحيطه وتطورت الى الاستفادة من العلاقة المتبادلة مع الاحياء الاخرى ، وذلك من خلال استغلال المفيد وتجنب الضار حتى وصل الانسان الى عصر الثورة الصناعية (التي اعتمدت على موارد الطبيعة وتوظيفها لخدمة الانسان) وما صاحبها من انتاج هائل للمكائن والمعدات وتصنيع المواد الكيميائية المختلفة وانتاج المبيدات لمكافحة الافات والسيطرة على الامراض.

وبعد فترة ليست بالطويلة ظهرت النتائج السلبية كظهور حالات مرضية يصعب السيطرة عليها مهددة لصحة الانسان، او مؤثرة على موارده الطبيعية ومصادر غذائه ، و كان هذا بسبب انبعاث الغازات الصناعية وتدفق الفضلات السائلة وطرح الفضلات الصلبة الى مختلف الاوساط البيئية ( الهواء , الماء , التربة )، الامر الذي دعى الانسان الى ان يقف وقفة المراجعة والمتأمل في ذلك ، مما حدا به الى وضع شروط صارمة ومحددات بيئية للتقليل من تاثيرات التلوث والمحافظة على تنوع الاحياء ومحاولة العودة للطبيعة .

ففى عصر ما قبل التاريخ كان مفهوم النظام البيئى يعتبر الارض هى البيئة التى يعيش فيها الانسان وغيره من الكائنات الحية النباتية والحيوانية ويؤثر فيها ويتأثر بها. وفى أواخر القرن الـ 19 وأوائل  الـ20 حدث تطور فى النواحى الاجتماعية والاقتصادية والتكنولوجية نتيجة تقدم الزراعة والصناعة ووسائل النقل والمواصلات ،وبذلك أصبح الانسان سيدا مهماً في البيئة  إذ غدا مفهوم النظام البيئي يشمل مجموعة العناصر التي تتكون منها البيئة وتؤثر في بعضها البعض , وهو نظام بيئي مفتوح تدخله العناصر في صورة محددة وتخرج منه في صور أخرى .

لذلك تعتبر  مثلاً مشكلة إنتاج الفضلات ورميها – التخلص منها- سواء أكانت غازية أم سائلة أم صلبة أو على شكل ضوضاء من المشاكل التي تتداخل عندها المعارف البيئية . وستبقى مستويات السيطرة على التلوث والأدوات الإدارية المعتمدة لهذا الغرض غير مجدية ما لم يكن العلم وسيلتها.

فالتلوث يعد من المشاكل الكبيرة التي يواجهها الإنسان المعاصر. لا بل وأخطرها . وهي بحاجة إلى تظافر الجهود كافة لمعالجتها والحد منها . ومما يزيد المشكلة تعقيداً إن للإنسان نفسه الدور الواضح في زيادة خطورتها من خلال نشاطاته المختلفة التي أصبحت تهدد الحياة البشرية . فضلاً عن تأثيرها في الكائنات الحية الأخرى مما يحدث تغيرا في التوازن الطبيعي للبيئة ومكوناتها المختلفة الحية منها وغير الحية.  

وللتلوث مصادر ومكونات عديدة منتشرة في البيئة وعدم مراقبتها ومتابعتها تؤدي إلى تفشي التلوث بنطاق واسع ، فعلى سبيل المثال : يعتبر تلوث الهواء  في العراق من اخطر انواع التلوث والذي بلغ اشده في السنوات الاخيرة بسبب الحروب ومخلفاتها والعنف المستمر. كذلك خطورة تلوث المياه بسبب النفايات الزراعية اليها من المعامل ومن جهات اخرى وتأثيراتها على صحة الإنسان  وانتشار الامراض المختلفة في انواعها والتي اصبحت تصيب الإنسان  في عمر مبكر وتؤدي إلى هلاكه بشكل مختلف عما كان في السابق، وذلك كله من جراء التلوث البيئي بكل انواعه.

أن ذلك يتطلب وجوب الإهتمام  بأوضاع المجتمع (كجزء من معاناة المجتمعات الدولية بشكل عام) وحماية البيئة من مصادر ومكونات التلوث بشتى انواعه، وحماية الهواء من التلوث بمنع ما ينفث من المعامل أولاً، وإيقاف عملية استخدام الوسائط التي تضر البيئة في كافة إنحاء العالم، والسيطرة على المياه وحجز الملوثات المتأتية من المعامل وعدم السماح لها بالوصول إلى المياه، وإنشاء شبكات أنابيب احدث من الأنواع الموجودة حالياً، وإضافة المعقمات ( المنسجمة مع البيئة) ، وتوفير الخدمات الصحية اللازمة ..

                                                                             الحفاظ على البيئة 

معاذ عبدالمجيد حميد الكبيسي : الطاقة الشمسية وإستغلالها في تكييف الهواء

معاذ عبدالمجيد حميد الكبيسي : الطاقة الشمسية وإستغلالها في تكييف الهواء

الطاقة الشمسية وإستغلالها في تكييف الهواء

المهندس

معاذ عبدالمجيد حميد الكبيسي

قسم الأبنية المدرسية/المديرية العامة لتربية الأنبار / وزارة التربية

آب 2015 

لمشاهدة المخططات في هذا البحث اضغط هنا الرابط الآتي الذي يتضمن الملف المرفق

المحتويات :

المقدمة

أولاً . نبذة تاريخية عن توليد الطاقة من الشمس 

ثانياً . فوائد الطاقة الشمسية 

ثالثاً .تكييف الهواء بالطاقة الشمسية 

1. الحلقة الشمسية المفتوحة AC باستخدام المجففا 

2. النظام السلبي للتبريد الشمسي 

3. الطاقة المغلقة الإمتصاص والتبريد الادمصاصي 

4. التبريد باستخدام الألواح الكهروضوئية الشمسية 

5. التبريد الحراري الجغرافي (عن طريق حرارة باطن الارض الطبيعية) 

6. المباني ذات الطاقة الصفر 

رابعاً . هدر الطاقة 

خاتمة 

المصادر 

----------------------------------------------------------------

المقدمة:

خلق الله (جل شأنه) الشمس والقمر آيات دالة على كمال قدرته وعظيم سلطانه, فطاقة الشمس هي الضوء المنبعث والحرارة الناتجة عن الشمس اللذان قام الإنسان بتسخيرهما لمصلحته منذ العصور القديمة باستخدام مجموعة من وسائل التكنولوجيا التي تتطور باستمرار. ويستقبل كوكب الأرض 174 بيتا واط من الإشعاعات الشمسية القادمة إليه عند طبقة الغلاف الجوي العليا . وينعكس ما يقرب من 30% من هذه الإشعاعات عائدة إلى الفضاء بينما تُمتص النسبة الباقية بواسطة السحب والمحيطات والكتل الأرضية . ينتشر معظم طيف الضوء الشمسي الموجود على سطح الأرض عبر المدى المرئي وبالقرب من مدى الأشعة تحت الحمراء بالإضافة إلى انتشار جزء صغير منه بالقرب من مدى الأشعة فوق البنفسجية . تمتص مسطحات اليابسة والمحيطات والغلاف الجوي الإشعاعات الشمسية.

ويمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية )، وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليسيون والجرمانيوم وغيرها .

وقد تم اكتشاف الظاهرة اعلاه من قبل بعض علماء الفيزياء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا . وقد نال العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة .

أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية . فإذا تعرض جسم داكن اللون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص الإشعاع وترتفع درجة حرارته .

يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها . وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية, يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها, كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام، حيث أن هناك أبحاث تجري في هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس تحت أشعة الشمس أثناء الطهي .

ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت بتبوأ مكانة هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة إلا أن مدى الاستفادة منها يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية . وعليه يبدو أن المطلوب بعد تطوير التحويل الكهربائي والحراري من الطاقة الشمسية هو تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك عدة طرق لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي .

وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها متوفرة بغزارة (سبحان الله) إلا أنها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعنى البسيط . فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها إلى طاقة كهربائية أو حرارية ، وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة . ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها آخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية .

وتُعزى معظم مصادر الطاقة المتجددة المتوافرة على سطح الأرض إلى الإشعاعات الشمسية بالإضافة إلى مصادر الطاقة الثانوية مثل طاقة الرياح وطاقة الأمواج والطاقة الكهرومائية والكتلة الحيوية .. غير إنه لم يتم استخدام سوى جزء صغير من الطاقة الشمسية المتوافرة في حياتنا.

أولاً . نبذة تاريخية عن توليد الطاقة من الشمس :

استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل، واستخدمها في مجالات توليد بخار الماء وتقطير الماء وتسخين الهواء . كما أنشئت في مطلع القرن الحالي أول محطة عالمية للري بوساطة الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم (وذلك في منطقة المعادي قرب القاهرة . (لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود (كما إسلفنا)، غير إنه مع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلالها. 

ويمكن القول بأن الطاقة الشمسية تتميز بالمقارنة مع مصادر الطاقات الأخرى بما يأتي :

- إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .

- توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو ولا تترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم. 

- إن حرارة الشمس بازدياد مضطرد )لما في الغلاف الجوي من مشاكل لا يمكن حلها بسهولة( فيمكن التخلص من الحرارة باستخدام الطاقة الشمسية ومن ضمنها الحرارة المتولدة من الطاقة المذكورة التي بدأت تزداد عن معدلاتها في العالم لعدة عقود مضت. وقد شهد تحويل الطاقة الشمسية عبر التاريخ تحولا نوعيا ،فالتحويل الحراري للطاقة الشمسية يعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق) الشمسية والمواد الحرارية، فإذا تعرض جسم داكن اللون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص الإشعاع وترتفع درجة حرارته. ويستفاد عادة من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها. 

وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية، يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها، كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام، حيث أن هناك أبحاث تجري في هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس تحت أشعة الشمس أثناء الطهي.. 

ثانياً . فوائد الطاقة الشمسية :

تبذل حاليا الكثير من الجهود التكنولوجية والمالية على أبحاث الطاقة الشمسية وعلى تطوير منشآتها، ويمكن التعرف على عدد قليل من الفوائد الهامة التي نحصل عليها باستخدامنا للطاقة الشمسية . مع الأخذ بالحسبان إن بعض هذه الفوائد سيكون واضحا والبعض الآخر ربما يكون موضع شك، وقد يكون بعضها مفاجأة لبعض الناس، إلا إنه يجب ان يكون لدينا قناعة بأن الطاقة الشمسية مصدر مهم في تطوير وتحسين حياتنا . ومهما يكن من أمر فيمكننا إيجازبعض فوائد الطاقة الشمسية بما يأتي: 

- الطاقة الشمسية طاقة مستدامة : 

تستطيع المنشآت الضخمة لإنتاج الطاقة الشمسية أن تنتج الطاقة الشمسية بغض النظر عن حالة الطقس، سواء كان مشمسا أم لا، مما يجعلها مستدامة ويمكن الاعتماد عليها، فعادة ما تكون هذه المنشآت حرارية تقوم بتخزين الحرارة المتولدة، حيث تقوم باستخدامها عندما يكون الجو غيرمشمس، وهي أيضا متجددة أي أنها طاقة لا تنفذ، فهي مصدر طاقة طبيعي ويمكن استخدامه في توليد اشكال أخرى من الطاقة، أذ يمكننا استخدامها كوقود للسيارات كما يمكن ان نسخن بها الماء،أو أن نضيء بها البيوت .

- استخدام الطاقة الحرارية سياسة اقتصادية : 

استخدام الطاقة الحرارية في امتصاص المجموعة بتكاليف منخفضة تساعد بوضوح في انخفاض حاد في تكاليف الطاقة، وبالتالي تحقيق توفير اقتصادي كبير لتكييف المحلات المستعملة ، ويمكن ان تكون الآلات المستخدمة شبيهة لمعوضاتها للطاقة .

- احترام البيئة، مع عدم وجود المبردات الضارة : 

المبردات المستخدمة في تكنولوجيا الإمتصاص هو نتاج طبيعي مكررمن مياه البحرالتي لا تلوث. السوائل الاصطناعية بيئيا أكثر صداقة للبيئة لأنها لا تصنع من مواد سائلة مضرة للبيئة, كما ان قوة الطاقة المستعملة تحد من انبعاث الروائح المؤذية 

- انخفاض استهلاك الوقود من الطاقة الكهربائية :

الطاقة الأولية المستخدمة هي الطاقة الحرارية، في حين يجري الكهرباء فقط لتشغيل المعدات، فالكهرباء لاتعمل إلا مع استخدام النظم التقليدية للتكييف، ولكن باستخدام مجموعات امتصاص يمكن استخدامها لأغراض اخرى . 

- نظام بسيط وصغير: 

المجموعات هي الكتلة الواحدة المدمجة كاملة مع جميع الأجهزة اللازمة لسير عملها. هذا يسهل النقل والتركيب . يأتي المثبت فقط لربط شبكة إمدادات المياه الساخنة، ونظام تكييف الهواء وبإمداد صغير للمياه اللازمة لبرج التبخر .

- تركيب في الهواء الطلق :

يتم تصميم وحدة للتركيب في الهواء الطلق، والقضاء على مشكلة المركزية، فالمساحة الأولى المخصصة لمحلات تقنية يمكن استردادها في هذه الطريقة .

- متغير القوة في وظيفة الحمل الحراري العاكس عن طريق السيطرة الذكية :

مجموعات نظام الكتلة الواحدة لديها واسع القدرة لتعديل قدرة التبريد 20-100***1642;، مع انخفاض نسبي في شرط إمدادات المياه والكهرباء ومياه التبريد،وفقا للاحتياجات الحرارية الحقيقية الصغيرة مما يؤدي الى توفير في الطاقة .

- موثوقية عالية وصيانة منخفضة :

حيث تنبع موثوقية عالية من عدد محدود من الأجزاء المتحركة والمكونات الميكانيكية التي تخضع لارتداء كبير كالضواغط, وهذا يؤدي إلى حياة طويلة للجهاز أعلى بكثير بالمقارنة مع المجموعات المستخدمة عادة كالثلاجة . 

-الحد من التكاليف الثابتة :

انخفاض الطلب على الكهرباء يقلل من التكاليف الثابتة لمحطات الكهرباء الفرعية والنقل والتحول، فالحصول على الطاقة الشمسية )الحرارة( لن يتطلب لاحقا الكثير من أعمال الصيانة، ويبقى لدينا القليل فقط لنفعله للمحافظة على انتظام عملها .

- تقليل التلوث :

الطاقة الشمسية منتج صامت للطاقة، فبالتأكيد لا تتسبب هذه الطاقة بأية ضوضاء (أحد عناصرالتلوث) عندما استعمالها والاستفادة منها فوحدات الامتصاص لمياه الليثيوم تغيب الاجزاء المتحركة، وضمان منخفض للغاية من الضوضاء والاهتزازات، ولا تبعث الغازات الخطيرة والسامة .

- توفرالدعم الحكومي :

العديد من الحكومات في جميع أنحاء العالم تقدم حوافز سخية وحسومات نقدية فيما يتعلق باستعمالات هذه الطاقة وأنظمة تسخين الماء بها .

-افكار ممكنة التحقيق :

إن حكومات مختلف الدول تدرك أهمية الطاقة المتجددة للعالم بأسره، وتتقبلها كأفكار جذابة فضلا انها ممكنة على صعيد الافراد .

- توقع نجاحات اقتصادية في هذا المجال :

ما يزال التقدم في تكنولوجيا الطاقة الشمسية مستمرا لجعلها أكثر فاعلية من الناحية الاقتصادية، وبالإضافة إلى الانخفاض في تكلفة تركيب مستلزمات الطاقة الشمسية، سيجعل تكلفة الاستفادة من الطاقة الشمسية تستمر في الانخفاض أيضا .

ثالثاً .تكييف الهواء بالطاقة الشمسية :

من بين الآلاف من تطبيقات الطاقة الشمسية سنقوم بأختيار التبريد على نحو خاص،

ويوضح (المخطط 1) مشروعا مقترحا لتكييف منزل بحرارة الشمس والماء .

المخطط (1)

انموذج مقترح لتكييف المنزل بالطاقة الشمسية والماء

لأنه من المهم أن نفهم أن التبريد هو أحد القطاعات الأكثر استهلاكاً للطاقة الكهربائية، فيمكن أن نرى ما هو مثبت في لوحة معلومات أي ثلاجة مثلا بأن استهلاكها يدور حول الـ (540) واط، في حالة كون الثلاجة بحجم يصل إلى (20) قدماً مكعباً. وواضح عدم وجود مشكلة كبيرة تماماً في الـ (540) واط، و لكن هناك مشكلة حقيقية في استمرار استهلاكها للكهرباء باستمراره بالعمل لمدة (15) ساعة يومياً. أما التكييف المركزي فهو بالوعة كهربائية بحد ذاته عندما تصل حاجته إلى ما يقرب الـ (5000) واط . و لتقريب الصورة عن مقدار ما يمكن للـ (واط) أن يعمله، يمكنك تخيل أن الـ 100 واط كفيلة بتشغيل مصباح عالي التوهج و 150 واط كفيلة بتشغيل تلفزيون ملون قياس 25 بوصة. 

وهكذا يمكننا أن نتلمس مما سبق كيف يتربع التكييف على هرم الاستهلاك الكهربائي، ويمكن التطلع الى (المخطط 2) الذي يعالج الاستهلاك العالي للطاقة الكهربائية في هذا المجال, الذي يمكن إجراؤه عن طريق إحدى الطرق التالية :

المخطط(2)

تكييف بناية بالطاقة الشمسية والهواء

الطاقة الشمسية السلبية, تحويل الطاقة الحرارية الشمسية, تحويل الطاقة الشمسية . ومثال على الإهتمامات العالمية في هذا المضمار،فأن قانون الاستقلال في الطاقة و الأمن في الولايات المتحدة الأمريكية لعام 2007 قام بتحديد رأس مال لتمويل المشاريع البحثية التي تقوم على التركيز على تطوير برامج التكييف الهوائي باستخدام الطاقة الشمسية و البرامج التطويرية المحددة لهذا الهدف, وهذه البرامج التي سيتم تمويلها يجب أن تطور و تستخدم أساليب تكنولوجية حديثة و إبداعية وأن تستخدم نهج إنتاج كمي و اقتصادي. وهذا النظام سيلعب دورا هاما في تصميم المباني ذات الطاقة الصفرية و المباني ذات الطاقة الموجبة .

فالتبريد الشمسي على سبيل المثال هو تكييف الهواء مع التركيز والتتبع للشمس، وقد حلم العديد من الناس تبريد المنازل التي نعيش فيها والأماكن التي نعمل فيها من خلال استغلال حرارة الشمس المتوفرة في فصل الصيف، واليوم خرجت التكنولوجيا المناسبة لتحقيق النجاح في هذا المسعى. إن الفكرة من وراء التكييف بالطاقة الشمسية هي في الواقع مسألة بسيطة نسبيا مع مطابقة بين التكنولوجيا الحرارية, وقد اخترعت للطاقة الشمسية الآت تنتج البرودة بعد استقبالها ساخنة .

ويتميز عالم اليوم أيضا بتوفر التكنولوجيا لاستخدام الطاقة المتجددة، فالصعوبة المتزايدة من إمدادات الكهرباء من الشبكة الوطنية و الخطر النسبي للانقطاع المرتبطة بها، والطلب المتزايد لتوفير الطاقة الحقيقية, أدت مؤخرا إلى النظر بجدية الى أنواع تبريد وتكييف الهواء باستخدام أخذ عينات منخفضة من الطاقة الأولية وتوظيف حصة متزايدة من الطاقة المتجددة الطاقة الشمسية الحرارية، الضوئية، فوضعوا رهن الاشارة المبردات بالطاقة المتاحة كممصات للماء الساخن - البخار - غاز المداخن . 

ويلاحظ في السنوات الأخيرة أن التكنولوجيا جعلت من التبريد الامتصاصي تحقيق خطوات مذهلة، مع استخدام مواد جديدة و مكونات الكترونية عالية، ورفع مستوى نوعية الآلات سواء من حيث الكفاءة أو الاعتمادية، وعلى وجه الخصوص فيما يعلق آلات التبريد الاحادية التي تعمل بقوة منخفضة ممونة مباشرة بالماء الساخن 90 درجة مئوية أو الساخنة 180 درجة مئوية .

وعلى سبيل المثال فالاسباب الرئيسية المستمدة من استخدام وسيلة التبريد المصاص المدعوم من فراغ تجميع الطاقة الشمسية هي صورة تظهر كيف يمكن تغيير طريقة تفكيرنا في التبريد، فالجهاز يعمل في الخلاء و بدون كهرباء خارجية .كما إن هناك مدرسة أخرى تقول بالاستفادة من طاقة الشمس في تسخين مادة الـ (غلايكول) الكحولية (Glycol) لتقوم بدورها بنقل الحرارة إلى الغاز المبرد (Refrigerant) و الوصول إلى درجة حرارة عالية كفيلة بضغطه . 

المخطط (3)

مرايا على شكل قطع مكافئ مع انابيب غلايكول الماصة للحرارة

هذا يعوض تماماً عن استخدام ضاغط يعمل بالكهرباء، لتستمر الدورة بالشكل الاعتيادي . و من هنا كان لا بد من استخدام مرايا على شكل قطوع مكافئة (Parabolia) الضرورية لتركيز أشعة الشمس على أنابيب الـ (غلايكول) حيث بإمكاننا أن نرى أشكال المرايا و كيف أنها موصولة مع أنابيب الغلايكول (المخطط 3) .وهناك مدرسة أخرى تتناول استخدام مبدأ التبريد بالامتزاز (Adsorbtion Refrigeration) ، يطلق في هذا النظام الأمونيا (Ammonia) السائلة على الهيدروجين (Hydrogen) لتتبخر على هيئة غاز، و بوجود غاز الهيدروجين يتحقق التبريد أثناء التبخر، ترسل الأمونيا الغازية إلى خزان ماء يقوم بامتزاز الغاز، يسخن المحلول في حرارة الشمس لتنفصل الأمونيا الغازية عن الماء، 

المخطط (4)

التبريد بالامتصاص باستعمال الماء والامونيا

تكثف الأمونيا الغازية على هيئة سائل يطلق على الهيدروجين في إعادة للدورة التبريدية (مخطط 4) . ومهما يكن من أمر نستطيع تناول تكييف الهواء بالطاقة الشمسية بإنتقاء النماذج الآتية :

***10625; الحلقة الشمسية المفتوحة AC باستخدام المجففات :

يتم تمرير الهواء من خلال مجففات صلبة مثل السليكاجل او مادة الزيوليت ليتم سحب الرطوبة من الهواء للسماح بحدوث دورة تبريد فعالة عن طريق التبخير. هذه المواد المجففة يتم اعادة انتاجها من جديد باستخدام الطاقة الشمسية الحرارية لتنشيفها بطريقة ذات فعالية اقتصادية وغير مبذرة للطاقة في دورة مستمرة الحدوث . النظام الضوئي باستطاعته ان يزود مروحة هوائية تعمل على طاقة منخفضة, كما يمكنه تزويد محرك ليقوم بتدوير قرص ضخم بطئ مملوء بالمواد المجففة .

نظام التهوية وانعاش الطاقة يقوم بتزويدنا بطريقة محكمة التحكم بها لتهوية المنازل بينما نقلل من نسبة الطاقة المفقودة. فبهذه الطريقة يمرر الهواء خلال عجلة المحتوى الحراري (والتي تحتوي في الغالب على جل السليكا) ليتم تقليل تكلفة هواء التدفئة المستخدم شتاءًا والذي يقوم على تحويل الحرارة من دافئة داخل الهواء المستنزف بداخلها والذي يخرج هواء نقيا باردا . و في الصيف يبرد الهواء القادم من الخارج للتقليل من تكاليف التبريد والتهوية . يمكن لهذه المراوح والمحركات ان تكون نظام ذو فعالية من حيث التكلفة ومدعوم من الطاقة الشمسية،بينما يتم تعزيز الحمل الحراري الطبيعي الذي يستنفد بإعداد مدخنة تجبر الهواء الهابط ليقوم بالتدفق والإشعاع. 

المواد المجففة مثل كلوريد الكالسيوم يمكن خلطها مع الماء لإنتاج شلال مائي جذاب معاد تدويره والذي يقوم بسحب رطوبة هواء الغرفة باستخدام طاقة الحرارة الشمسية ،وذلك ليقوم بإعادة انتاج المادة السائلة) اعادتها للحالة السائلة( بالإضافة إلى استخدام مضخة مياه تعمل بالطاقة الكهربائية المخفضة . 

وفيما يخص انظمة التبريد الشمسية النشطة والموجودة داخل مجمعات حرارية شمسية تزود مخزون طاقة لأنظمة التبريد المستخدمة للمواد المجففة ،فقد تم دراسة عمود معبأ (Packed bed) وهو عمود أجوف أو أنبوب ممتلئ بمواد صغيرة لزيادة السطح الداخلي . وقد تكون التعبئة الأجزاء الصغيرة عشوائية مثلما في تعبئة حلقات راشينج أو يمكن أن تكون تعبئة بنائية منتظمة .والغرض من تشكيل العمود المعبأ هو تحسين التلامس بين سائل وبخاره أو تحسين التلامس بين طورين من أطوار المادة، كما تستخدم الأعمدة المعبأة في الاحتفاظ بالحرارة . وفي تلك الحالة يسمح بدخول غاز ساخن إلى العمود المعبأ فتحتفظ عبوته بالحرارة . وعند الحاجة لاستعادة الحرارة بمرر هواء أو غاز آخر إلى العمود فيسخن الهواء أو الغاز ويمكن بعد ذلك الاستفادة بما فيه من طاقة حرارية,وفي تطبيق لإزالة الرطوبة الجوية واعادة انتاجها في انظمة تكييف الهواء التي تستخدم المواد المجففة.

هذه الدراسة مثلت أحد الانظمة النظرية الذي تم تطويره لمتابعة اداء الاداة تحت ظروف وشروط مختلفة . لقد تم استخدام انظمة وبرامج حاسوبية لمحاكاة الواقع لكثير من هذه التجارب اعتمادا على هذا النموذج, ويدل هذا على المدى الواسع لتطبيقات تغيير نسب رطوبة الهواء و نسب تركيز المواد المجففة .

وعلاوة على ذلك تم بناء جهاز تجريبي أذ تم اجراء العديد من التجارب العملية باستخدام مادة المونوايثيلين جليكول واملاح بروميد الليثيوم كمواد مجففة (لها القدرة على امتصاص الحرارة وبخارالماء) . هذه التجارب المعتمدة على مادة المونوايثيلين قامت بإظهار نتائج غير دقيقة و اشارت إلى بعض المشاكل في التطبيقات العملية المرتبطة باستخدام مادة الجليكول . بينما اظهرت تجارب( LiBr ) توافق جيد جدا مع النموذج النظري . التسخين القبلي او الأولي للهواء قد اعتمد على انه يقوم بإعادة انتاج المواد المجففة بشكل كبير. المعبأة العمودية اظهرت نتائج فعالة لمزيلات الرطوبة, كما تساعد على انخفاض ضغط المقدمة عن طريق استخدام نظام تعبئة وتغليف مناسبين . 

***10625; النظام السلبي للتبريد الشمسي :

في هذا النوع من التبريد الحراري الشمسي لا يتم استخدام الطاقة بشكل

مباشر لإنتاج بيئة وجو بارد او حتى القيام بدفع اي عملية تبريد مباشر. فعوضا عن ذلك

يهدف تصميم هذه الابنية لتخفيض معدل انتقال الحرارة إلى المبنى في فصل الصيف و تحسين عملية ازالة و سحب الحرارة الغير مرغوب فيها من المبنى . هذا النوع من التكييف يشتمل على مثال فعال لفهم ميكانيكية وعملية انتقال الحرارة, التوصيل الحراري, والحمل الحراري, والإشعاع الحراري خاصة من الشمس . (المخطط 5)

المخطط (5)

أنموذج بناية ذات طاقة واطئة (مبنا ذو طاقة صفر)

على سبيل المثال احدى العلامات على نظام حراري سيئ وغير كفؤ هي ارتفاع درجة الحرارة في العلية صيفا إلى درجة حرارة تعلو اعلى نسب درجة الحرارة في الهواء الخارجي للعلية. هذا الارتفاع يمكن التخلص منه او تقليله باستخدام سقف بارد او سقف اخضر حيث ان هذا النوع من الاسطح يمكنه التقليل من درجة حرارة السطح ب 70 درجة فهرنهايتية او ما يعادل 40 درجة سيليسيوزية . ان وجود حاجز للإشعاعات او فجوة هوائية تحت السقف يمكنه ان يعيق ما نسبته 97% من الإشعاعات القادمة من سقف تم تسخينه بأشعة الشمس الحارة .

ان انجاح عملية التبريد الشمسي السلبي يكون أكثر سهولة عندما تستخدم في تصميم البيوت قبل بنائها مقارنة بتبني نظام تبريد شمسي لبناء تم انشاؤه مسبقا. هناك العديد من انظمة التصميم التي تختص بتفاصيل معينة في نظم التبريد الشمسي السلبي بل انه يعتبر من أهم العناصر الاساسية لتصميم الابنية ذات الطاقة صفر او واطئة الطاقة في الأجواء الحارة كما سياتي ذكرها فيما بعد .

***10625; الطاقة الشمسية حلقة مغلقة الإمتصاص والتبريد الادمصاصي :

فيما يلي الانظمة التكنولوجية الأكثر استخداما في انظمة الحرارة الشمسية المغلقة الحلقة: 

- امتصاص الماء او الامونيا NH3 H2O 

- امتصاص املاح بروميد الليثيوم LiBr للماء (بخار الماء)

- امتصاص املاح كلوريد الليثيوم LiCl للماء (بخار الماء)

- امتصاص كيميائي جل السيليكا أو مياه الزيوليت للماء (بخار الماء)

- امتصاص كيميائي لميثانول الكربون المنشط 

يستخدم نظام التبريد الشمسي النشط مجمعات حرارية شمسية لتوفير طاقة حرارية لتحريك او تزويد المبردات الحرارية وهي عادة ما تكون مبردات الامتصاص او الادمصاص . على سبيل المثال المجمع الحراري سوبوجي Sopogy يوفر ويقوم بتزويد الطاقة الشمسية عن طريق تركيز اشعة الشمس على انبوب تجميعي و تسخين السائل الناقل للحرارة و المعاد تدويره داخل نظام التبريد . الطاقة الحرارية المنتجة من هذا النظام يتم استخدامها دمجا مع المبردات الامتصاصية لتوفير مصدر متجدد من التبريد الصناعي. 

هناك بدائل متعددة للمبردات القائمة على اساس الضغط والتي يمكن ان تقلل من استهلاك الطاقة وبنفس الوقت تقلل من الاهتزازات و الإزعاج الذي قد ينتج من مثل هذه الاجهزة . كما انه يمكن استخدام طاقة الحرارة الشمسية للحصول على تبريد أفضل في فصل الصيف وتسخين المياه المحلية والمبنى في فصل الشتاء . يتم استخدام دورات التبريد الامتصاصية الاحادية او الثنائية او حتى الثلاثية التكرار في تصميمات مختلفة لأنظمة التبريد بالطاقة الحرارية الشمسية .

المبردات الامتصاصية الفعالة تتطلب مياه ذات درجة حرارة لا تقل عن 88 درجة سيلسيوز . أشهر الواح تجميع الطاقة الحرارية الشمسية المسطحة والغير باهظة الثمن تنتج مياه بدرجة حرارة 71 سيلسيوس . وفي المنشات واسعة المدى هناك العديد من المشاريع الناجحة اقتصاديا و عمليا في التشغيل على المستوى العالمي وهذه تشتمل على امثلة عديدة منها تلك الموجودة في مقر ديكيكسا جيرال ديبوستوس في لشبونة والتي لديها 1579 متر و17000 قدم مربع من المجمعات الشمسية و 545 كيلو واط من طاقة التبريد, ومثال اخر تلك الموجودة في قرية الإبحار الأولمبية تشينغداو الصين. وفي عام 2011 تم تشييد اقوى محطة في الكلية العالمية المتحدة في سنغافورة والتي ترتب عليها 1500 كيلو واط . 

وقد اظهرت هذه المشاريع ان مجمعات الحرارة المسطحة وخاصة تلك التي طورت خصيصا لدرجات الحرارة فوق 93 سيلسيوز )هذه تمثل صفات الزجاج المزدوج, وزيادة عزل, وغيرها( يمكن ان تكون ذات كفاءة وفعالية اقتصادية . كما يمكن استخدام الألواح الشمسية ذات الانابيب المفرغة . مجمعات الطاقة الشمسية التي تستخدم في المبردات الامتصاصية (كالمتداولة في الاسواق) تكون ذات فعالية اقل في الأجواء الرطبة الحارة, والمناخات الغائمة خاصة تلك التي عندها تكون درجات الحرارة منخفضة بين ليلة وضحاها كما ان الرطوبة النسبية تكون مرتفعة لدرجة غير مرغوب بها . 

لدى مركز اودوبون البيئي في لوس انجلوس مثال على تركيب نظام تكييف شمسي هوائي . كما تقوم شركة الغاز المحدودة لجنوب كاليفورنيا وشقيقتها في المرافق شركة سان دييغو للغاز والكهرباء بفحص مدى امكانية التطبيق العملي لانظمة التكييف بالطاقة الشمسية في مركز مصادر الطاقة خاصتهما في داوني, كاليفورنيا . تم تركيب المجمعات للطاقة الشمسية من Sopogy و HelioDynamics على سطح مركز مصادر الطاقة (جهاز متعقب للشمس مثبت عليه مرايا خاصة باشكال قطع مكافئ) التي تقوم بانتاج التبريد لانظمة التكييف الهوائي . مثال اخر موجود في الامارت العربية المتحدة في مدينة مصدار حيث تقوم بفحص التاثير الامتصاصي المزدوج لانظمة التبريد باستخدام جامعات حوض Sopogy ذات القطع المكافئ والواح TVP الشمسية ذات قدرة امتصاصية عالية . 

في اواخر القرن التاسع عشر, أكثر التغييرات شيوعا في المواد المبردة )المثلجة( المستخدمة في التبريد الامتصاصي كانت محلول الامونيا والماء . في الايام الحالية مركب (املاح بروميد الليثيوم (و الأكثر استخداما . في هذه الانظمة الطرف الأول في انابيب انظمة التوسيع والتكثيف يتم تسخينها واما الطرف الثاني يبرد بشدة كافية لصنع الجليد . في السابق كان غاز البروبان الطبيعي يستخدم في الثلاجات المبردة الامتصاصية الترفيهية . 

منذ ما يقارب 150 سنة استخدمت المواد المبردة الامتصاصية لصنع الجليد (قبل اخترع المصباح الكهربائي . (هذا الجليد يمكن تخزينه واستخدامه كبطارية جليدية للتبريد عنما تكون الشمس غير مشرقة, حيث كان ذلك في 1995 في طوكيو اليابان في فندق اوتاني الجديد. هناك نماذج حسابية متوافرة في المجال العام وتتحدث عن حسابات اداء التخزين للطاقة الحرارية المعتمدة على الجليد ( وحدة صنع الثلج الشمسية المعروفة ب ISAAC وهي عبارة عن دورة امتصاص للطاقة الشمسية متقطعة للأمونيا في المياه .( هذه التقنية تستخدم حوض على شكل قطع مكافئ لتجميع الطاقة الشمسية و تصميم فعال ومحكم لإنتاج الجليد بدون وقود او مدخلات كهربائية و أيضا بدون وجود اجزاء متحركة كما ذكر آنفا .تشمل هذه الصناعة على الأسماء التالية SOLID و Sopogy ,و Mirroxx و TVP الشمسية للمنشآت الصناعية, وClimateWell,و Fagor-Rotartica,SorTech وDaikin المستخدم في الغالب للانظمة السكنية .

4. التبريد باستخدام الألواح الكهروضوئية الشمسية :

يمكن للالواح الكهروضوئية الشمسية ان توفر الطاقة لأي نوع من انواع التبريد بالطاقة الكهربائية سواء اكانت من النوع المعتمد على ضاغطة الهواء او الأنواع الادمصاصية .

لقد اعتبرت الألواح الكهروضوئية على انها تكنولوجيا التبريد الشمسية الأكثر استخداما في تبريد المشاريع التجارية والسكنية الصغيرة ما يعادل اقل من 5 ميغا واط امبير . السبب الحقيقي خلف استخدامها في مثل هذه المشاريع ما زال موضع نقاش الا من أكثر التفسيرات المتداولة هو الحوافز البنائية, و النقص في المعدات ذات الحجم المناسب للمشاريع السكنية في انواع التبريد الاخرى, و ظهور اجهزة تبريد ذات كفاءة أكبر, او سهولة تركيب المعدات مقارنة بأنواع التبريد الاخرى المستخدمة للطاقة الشمسية( مثل مشعات التبريد). 

ولكون الكفاءة الاقتصادية للألواح الكهروضوئية تعتمد بشكل كبير على ادوات التبريد المستخدمة واعتمادا على ان الكفاءة متدنية المستوى لأجهزة التبريد الكهربائية حتى في الزمن القريب عرفت هذه الانظمة على انها لم تكن ذات جدوى اقتصادية دون اي اعانات اخرى . فتعرف الألواح الكهروضوئية مقترنة ب 70000 BTU على انها الانظمة الاقل كفاءة من بين جميع انواع التبريد الشمسية الاخرى .

وللحصول على نظام كهروضوئي ذو كفاءة اعلى يجب توفير نظام خلايا كهروضوئية وذو تكلفة اقل .

المخطط (6)

جامع الطاقة (تسخين الهواء) بنظام الطاقة الشمسية

ان تركيب مضخة حرارية جوفية ذات جودة عالية قد يكون لديها ما يعادل المكيف الهوائي ذو 100,000 BTU وحدة حرارية بريطانية و بدوره يحتاج إلى طاقة اقل من 5 كيلو واط اثناء تشغيله . 

التكنولوجيا الأكثر حداثة وذات الطاقة الاقل مثل عكس مضخات العاكس للتيار الكهربائي قد تحقق تقييما يصل إلى 112,000BTU . 

هناك انواع جديدة من انظمة التكييف الكهربائية الغير معتمدة على الضاغطات وذات تقييما يصل إلى اعلى من 100,000BTU ستظهر في الأسواق . اصدارات جديدة من مرحلة التغيير للمبردات ذات التبخير غير المباشر لا تستخدم سوى مروحة و مزود مائي ليقوم بتبريد الهواء بدون زيادة الرطوبة الداخلية (مثل تلك المستخدمة في مطار مكاران في الاس فيغاس نيفادا) . في الأجواء الجافة القاحلة وذات رطوبة نسبية اقل من 45% )تقريبا 40% من قارة الولايات المتحدة الأمريكية) تقوم المبردات بالتبخير الغير مباشر بالوصول إلى ما بين 100,000BTU إلى 200,000BTU, المبردات ذات التبخير غير المباشر تحتاج فقط إلى طاقة خلايا كهروضوئية كافية لدورة المروحة (ولا ننسى مضخة للماء) .

يمكن لنظام خلايا شمسية جزئي الطاقة وذو تكلفة اقل ان يقلل (وليس ان يزيل تماما) كمية الكهرباء المشتراة شهريا من مزود الطاقة لاستخدامها في التبريد الهوائي و أيضا في استخدامات اخرى. مع الدعم الحكومي الأمريكي للتكلفة من 2.50 دولار إلى 5.00 دولار لكل واط من الخلايا الشمسية ستقل تكلفة الكهرباء المنتجة من الخلايا الشمسية إلى اقل من 0.15 دولار لكل 23 كيلو واط. وهذه الناحية يتم اعتبارها ذات جدوى اقتصادية خاصة في الاماكن التي تكون فيها التكلفة للطاقة الكهربائية للشركة ما يعادل او يفوق 0.15 دولار . الطاقة الفائضة المنتجة من هذه الخلايا الشمسية يمكن بيعها إلى مزودات الطاقة في مواقع مختلفة والتي بدورها يمكن ان تقلل او ان تقضي على الصافي السنوي من المتطلبات الكهربائية . وسيتضح ذلك في موضوع )المباني ذات الطاقة صفر) . 

العامل الرئيسي والمفتاح للوصول إلى تكييف شمسي ذو جدوى اقتصادية هو تقليل متطلبات التبريد لكل بناء. يمكن القيام بتصميم نظام ذو كفاءة عالية لاستخدام الطاقة في المباني الحديثة وتبنيها ودمجها في المباني القائمة منذ القدم . منذ ان تم انشاء قسم الطاقة الأمريكي في عام 1977 تم تبني برنامجهم لمساعدة البيئة والذي قام بتقليل حمولة التدفئة والتسخين في المنازل ذات الدخل المنخفض إلى 5,5 مليون اي ما معدله 31% . مئة مليون مبنى أمريكي لا زال يحتاج إلى تحسين المساعدة البيئية او ما يعرف بـ 24weatherization . الممارسات البنائية الغير مدروسة ولا زالت تنتج مباني جديدة غير فعالة و تحتاج إلى تحسينات بيئية منذ لحظة السكن فيها .

ومن السهل جدا تقليل متطلبات التبريد والتسخين للمباني الجديدة إلى النصف . وهذا غالبا ما يتم عمله بدون تكاليف صافية اضافية لأنه يتم توفير بعض هذه التكاليف عن طريق استخدام انظمة تبريد اصغر و مزايا عديدة اخرى .

5. التبريد الحراري الجغرافي(عن طريق حرارة باطن الارض الطبيعية): 

انابيب التبريد الارضية يمكنها الاستفادة من درجة حرارة باطن الارض المحيطة بها لتقليل وازالة متطلبات التكييف الاعتيادية . ان استخدام الطاقة الحرارية الارضية يتميز في العديد من الفصول والأجواء التي يعيش بها الإنسان حيث ان دورها يتمثل في تخفيض تراكم درجات الحرارة الغير مرغوب فيها بشكل كبير وهام, كما انها تساعد في ازالة الحرارة من داخل المباني . على الرغم من ان استخدام هذا النظام يزيد من تكلفة البناء في بادئة الامر الا انه يقم بتوفير تكاليف معدات التبريد التقليدية الباهظة الثمن . 

انابيب التبريد الارضية لا تعتبر انها ذات كفاءة اقتصادية في البيئات الاستوائية المدارية الرطبة حيث قد تصل حرارة درجة حرارة باطن الارض إلى ما يعادل درجة حرارة جسم الإنسان الطبيعية .

المخطط (7) 

استغلال باطن الارض كمبادل حراري

من الممكن استخدام المراوح التي تعمل على الطاقة الكهروضوئية او ما يسمى بالحرارة المستوقدة الشمسية لإخراج الحرارة الغير مرغوب بها و سحب الهواء ذو الرطوبة المنخفضة الذي مر من خلال درجات حرارة سطح الارض للداخل . من أهم الامور التي يجب مراعاتها عند التصميم هي ان يتم اخذ عوامل الرطوبة و التكثيف في عين الاعتبار .

تستخدم مضخة الحرارة الجوفية درجة حرارة الارض المحيطة بها للتسخين والتبريد . ويتم استخدام بئر عميق ليعيد تدوير الماء ويستخلص درجة حرارة باطن الارض) عادة ما يتم استخلاصا بمعدل 6 إلى 10 جالونات بالدقيقة الواحدة . (درجة حرارة باطن الارض تتميز بانها منخفضة أكثر من اعلى درجات الحرارة المسجلة في فصل الصيف, كما انها اعلى من اخفض قيم درجات الحرارة المسجلة شتاء . درجة توصيل الماء للحرارة تعادل 25 ضعفا من تلك التي يقوم بها الهواء لذلك يعتبر الماء على انه أكثر كفاءة من المضخات الهوائية الحرارية الخارجية اللاتي تصبح ذات كفاءة اقل عندما تنخفض درجة الحرارة الخارجية .

يمكن ان يتم استخدام نفس نوع الابار الجوفية بدون مضخة حرارية لكن كفاءتها سوف تكون منخفضة بشكل أكبر . يتم ضخ المياه المحاطة بحرارة باطن الارض من خلال جهاز تدفئة مشع كالمستخدمة في السيارات . في مثل هذه الانظمة يتم ضخ الهواء عبر المشعات السجية التي تعمل على تبريد الهواء بدون استخدام نظام تبريد معتمد على ضغط الهواء . ان الألواح الضوئية الكهربائية الشمسية تقوم بإنتاج الكهرباء اللازمة لمضخة المياه و المراوح حيث انها بهذا تقوم بالقضاء على المصروفات والفواتير المترتبة على استخدام انظمة التبريد التقليدية . ان هذه الانظمة تمتاز بفعالية اقتصادية طالما انها تستخدم في بيئات تنخفض فيها درجة حرارة باطن الارض عن الدرجة الطبيعية لجسم الإنسان )نعني استخداما بعيدا عن المناطق المدارية الرطبة) . ( مخطط 7)

6. المباني ذات الطاقة الصفر :

الأهداف المرجوة من المباني ذات الطاقة صفر تشتمل على تكنولوجيا مستدامة للمباني الخضراء والتي باستطاعتها ان تقلل او تمحو فواتير الطاقة الصافية سنويا . الإنجاز العظيم في هذا المجال يتمثل في بناء مستقل خارجي لشبكات الطاقة والذي لا يتطلب وصله بشركات الطاقة ومرافقها . فاصبحت رؤية منزل ينتج الاستخدام الفاعل للطاقة ولا يضطر الذين يعيشون فيه أبدا لدفع مقابل التدفئة الخاصة بهم واقعا منذ الثمانينيات وهو عقد ظهر فيه أول المنازل منخفضة الطاقة .

المخطط (8)

مجمع بنايات (متطورة) ذو طاقة صفر

كما أجريت تجارب أيضا مع منازل تعمل دون أنواع الوقود الحجري. بيد أنه وحتى وقت قريب لم يتم تجاوز قاعدة صافي استهلاك الطاقة صفر وصافي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون صفر سنويا. واليوم أصبح من الممكن بناء منازل تنتج بالفعل طاقة أكثر مما تستهلك، وفي الوقت نفسه تحقق أموالا لمالكيها . وأساس هذا المنزل هو ما يطلق عليه الألمان اسم ''منزل سلبي''. فالتكييف لاجواء الابنية التي نقطنها باستخدام النظام الشمسي سوف يصبح وفي تزايد عامل نجاح و مهم حيث ان دوره سيتمثل في الأجواء الحارة التي تتميز بدرجة حرارة عالية بشكل ملحوظ لا يمكن تجاهلها وتطلب وجود نظام تبريد .( مخطط 8)

رابعاً. هدر الطاقة : 

- يتسرب أكثر من نصف الطاقة المستخدمة في المنازل عبر البلاد من النوافذ لأبواب العليات والفجوات وثغرات أخرى . هذا الهدر اليومي للطاقة يكلف بيئتنا الكثير، لأنه يستهلك الثروات اضافة الى رفد الجو المحيط بنا بالغازات الخطيرة.

- هناك العديد من المؤسسات الحكومية التي تعتبر البيئة من أهم أولوياتها، وتقدم حسومات خاصة على تحسين الفعالية القصوى للطاقة في البيوت .

- هناك تحسن طرأ على تكنولوجيا الأبواب والنوافذ أيضا، بما يساعد على تقليص استخدام الطاقة، بما يبقي الحرارة في منازلنا مريحة في أي مناخ .

- عمل الباحثون على دراسة أعمق لتصاميم النوافذ والأبواب، وقرروا تعديلها كي تعزل بشكل أفضل, ومنها نافذة بريستول ( سميت نسبة إلى مخترعها) ، تتمتع نافذة البريستول هذه، بمزاياها الفريدة وزجاجها العازل بقدرة أكبر على حماية الطاقة وتوفيرها بشكل أفضل .

- يمكن للسخونة أن تتبدل عبر النافذة بثلاث طرق، عبور الطاقة الضوئية من الزجاج في الاتجاهين، عبور الحرارة أو البرودة نتيجة تحرك الهواء واحتكاكه بالزجاج، إلى جانب الحرارة التي تتسرب عبر إطار الزجاج. 

- النوافذ التقليدية المصنوعة من الألمنيوم أو الفينيل وطبقة زجاج واحدة أو اثنتين، تمرر السخونة والبرودة بحرية بين داخل وخارج الغرفة .

- يلغى استخدام ثلاثة ألواح زجاجية الاتصال بين البيئتين وبالتالي يحد من التوصيل بينهما .

- يمكن خفض فقدان الحرارة والسخونة عبر الأشعة جديا، بإضافة غشاء غير مرئي ولكنه فعال جدا مما يعرف بمادة الو إي على لوحي الزجاج الخارجيين, يؤدي هذا الغشاء دور المرآة الحرارية التي تعكس الموجات القصيرة القادمة من الخارج، وتفعل ذلك أيضا بالحرارة في منزلك .

- يمكن للتبادل الجاري في الهواء بين ألواح الزجاج لتبديل الحرارة أن ينخفض بتعبئة ذلك الفراغ بغاز أرغون الشفاف .

- يعتبر هذا الغاز أثقل وزنا وموصل أقل من الهواء ما يؤدي إلى خفض تبادل الهواء بين البيئتين . 

- الإقفال المحكم جدا والغير معدني عنصرا آخر للحول دون انتقال الحرارة.

- يطوي هذا البلاستيك المقوى الزجاج بشكل دائم، ومزاياه الحرارية معا، فتنجم عنه طبقة دافئة تغطي سطحي هذه النوافذ العازلة الفعالة . 

- يعتمد مبدأ حماية الطاقة في المستقبل على حل مشكلة الفتح والإقفال، لهذا فإن أبواب بريستول كفيلة بالحفاظ على الحرارة في فصلا الشتاء، وإبعادها في الصيف 

- أعمال الإقفال المحكم المضاد للماء حول جميع الأبواب والنوافذ يمنع تسرب الهواء من الداخل إلى الخارج وبالعكس .

- تمنحنا الأبواب والنوافذ القدرة على الرؤية والمعابر الفعلية إلى العالم الخارجي .

- أما الآن فمن المحتمل جدا ألا نستمر في تبديد وخسارة ثروات الطاقة في الفضاء بعد أن جرى التوصل إلى هذه التصاميم الحديثة الفعالة .

الخاتمة:

إن الهدف الأساسي هو تخفيف استغلال الطاقة من مصادرها غير المتجددة، واستخدام المصادر المتجددة عوضاً عنها، خصوصاً في أنظمة التكييف التي تعد المستهلك الأكبر للطاقة في مختلف القطاعات والتطبيقات . 

وتتلخص أهم فوائد التبريد الشمسي في تقليل استهلاك الطاقة، والتقليل من نسبة الغازات المضرة التي تنبعث من أنظمة التكييف الاعتيادية، والتقليل من ظاهرة انبعاث غازات الكلور والفلور و الكربون التي تعد عاملا أساسياً في حدوث ظاهرة الاحتباس الحراري .

المصادر:

1. بولس،صبري،1980، اصلاح وصيانة اجهزة التبريد والتكييف،د.م ،بيروت ،لبنان .

2. الجودي، خالد أحمد،1986،مبادئ هندسة تكييف الهواء و التثليج ،منشورات جامعة البصرة، البصرة ، العراق.

3. حسين،واثق خليل سعيد ،2008،التبريد بواسطة الطاقة الشمسية باستخدام تقنية الادمصاص ،رسالة ماجستير ،جامعة النجاح الوطنية ، نابلس، الأردن.

4. حمودي،علي ناجي ،2009،دراسة وتنفيذ وتحسين أداء محطة ضخ مياه تعمل بالطاقة الشمسية،رسالة ماجستير غير منشورة،جامعة تشرين ،كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية ،قسم القوى الميكانيكية، دمشق،سوريا.

5. رزوقي، محمد هوبي، 1990، التبريد والتكييف : اسس وتطبيقات ،الدار العربية للعلوم ،بيروت،لبنان.

6. الشمري،محمد عبدالرضا،2008،مبادىء هندسة التبريد، دار الأنس للكتب العلمية، القاهرة ،مصر.

7.ASES National Solar Conference; 2011,Rural Renewable Energy Alliance.2011, "Solar Air Heat Basics". Retrieved 07/05/2011.

8.Brown, David,1994, 8. An Evaluation of Solar Air Heating at United States Air Force Installations. Air Force Institute Of Technology. Retrieved 4 August ^ "Solar-Heated Fresh Air Cuts Heating Costs". NREL. 1994. Retrieved 4 August. 2011, .

9. Collectors.a.b,1998, AirSolar Preheaters for Outdoor Ventilation Air Federal Technology Alert, Transpired (. National Renewable Energy Laboratory (Federal Energy Management Program). April 1998. DOE/GO .-10098-528. Retrieved July 25, 2010.

10. Solar Energy Refrigeration ,2008, .Hussein, W. K. S.Liquid-Solid Adsorption Technique. M Sc. An-Najah University, Nablus – Palestine..

11. Elfadar,2009., A.; Mimet, A. and Perez-Garci, M performance Modeling and study of a continuous adsorption refrigeration system driven by parabolic trough solar collector. Solar Energy Spain. 83.

12. NREL,2011, Solar-Heated Fresh Air Cuts Heating Costs" . 1994.Retrieved 4 August 2011.

13. Lombardi, Candace.2011 " Roof-mounted solar assists in "cooling too". CNET. 1. September Retrieved .

14.Siegele, Lindsey. 2011"SolarWall Solar Air Heating Technology". Mother Earth News. Retrieved 4 August .

15.Solar Energy Use in U.S.2011, Agriculture Overview and Policy Issues". United States Department of Agriculture. Retrieved 4 August 2011.

16. "Solar Service Center2011". Naval Facilities Engineering . Naval Facilities Engineering Service Center Preheated Ventilatio. Retrieved 3 August 2011. "Solar Savings: An inside look at solar metal walls". Metal Architecture Magazine. 1 September Retrieved2011.

17. Survey 2011,of Active Solar Thermal Collectors, Industry and Markets in Canada". August 2010. Retrieved 3 August 2011.

18. US patent 4899728HOLLICK JOHN C; PETER ROLF W,1998, "Method and apparatus for preheating ventilation air for a building", published 1998-07-17. 2006, Pridasaws,. 

19 .W.Solar-Driven Refrigeration Systems with Focus on the Ejector Cycle, Doctoral Thesis, Royal Institute of Technology, KTH, Denmark...

20. https://www.google.iq/?gfe_rd=cr&ei=...AYOW2tvAC&gws_rd=ssl#q=+7.+Survey+2011%2Cof+Active+Solar+Thermal +Collectors%2C+Industry+and+Markets+in+Canada%22.+ August+2010.+Retrieved+3+August+ 2011.

21. http://tonto.eia.doe.gov/energyexpla...=solar_thermal _ collectors

22. http://www.eere.energy.gov/de/transpired_air.htm

المخططات معاذ الكبيسي.doc‏ (863.0 كيلوبايت, المشاهدات 46)

المهندس الإستشاري

معاذ عبدالمجيد حميد الكبيسي

قسم الأبنية المدرسيةالمديرية العامة لتربية الأنبار / وزارة التربية