تعدد المهام باللون الأرجواني: ألواح شمسية ملوّنة قد تتيح للمزارع زراعة المحاصيل وتوليد الكهرباء في آن واحد

ألواح شمسية ملوّنة تتيح للمزارع حصاد المحاصيل والكهرباء في الوقت نفسه

لطالما واجه المزارعون الذين يرغبون في إضافة الطاقة المتجددة إلى أراضيهم مقايضة صعبة: فالألواح المعتمة التي تنتج أكبر قدر من الكهرباء هي أيضاً التي تلقي أعمق الظلال. وتشير أبحاث جديدة إلى أن ألواحاً شمسية شبه شفافة مصممة خصيصاً ومصبوغة بلون أرجواني زاهٍ يمكن أن توازن بين الأمرين، فتولّد الكهرباء بينما توجّه أكثر أجزاء الطيف الضوئي فائدةً نحو المحاصيل النامية في الأسفل.

وتركز الدراسة، المقرر نشرها في 2 أكتوبر في دورية Cell Reports Physical Science، على البروكلي المزروع تحت الألواح في موقع تجريبي في مزرعة Kärrbo Prästgård في السويد. ووفقاً للنتائج، امتص البروكلي ضوء الشمس بكفاءة أعلى من النباتات المزروعة في الهواء الطلق، وبلغت الرؤوس المحصودة في النهاية نفس حجم البروكلي المزروع بالطرق التقليدية — وإن استغرقت 25 يوماً إضافياً لتنضج.

ويشير العمل إلى أداة محتملة للمزارعين الذين يريدون إنتاج كهرباء متجددة دون التخلي عن إنتاجية الأرض الواقعة تحت منظوماتهم.

كيف تعمل الألواح الأرجوانية

يقول سيليفيا ما لو من جامعة Mälardalen في فاستيروس بالسويد، وهي أحد مؤلفي الورقة البحثية، إن الفكرة الأساسية بسيطة. فالألواح تعترض جزءاً من ضوء الشمس الساقط وتحوّله إلى كهرباء متجددة، بينما تسمح للباقي بالمرور إلى المحاصيل تحتها. وتوضح أن الطموح الأوسع هو معرفة ما إذا كان يمكن استخدام ضوء الشمس بكفاءة أكبر عبر تقسيم الطيف الشمسي بين مهمتين في آن واحد: تغذية النباتات وتغذية الشبكة الكهربائية.

واللون الأرجواني ليس خياراً جمالياً عشوائياً. فبدلاً من حجب الضوء بصورة عشوائية كما تفعل الألواح المعتمة، يقوم التصميم شبه الشفاف بترشيح الطيف الشمسي بحيث تُبرَز الأطوال الموجية الزرقاء والحمراء — وهي النطاقات التي تعتمد عليها النباتات أكثر من غيرها — لصالح غطاء المحصول.

• نفاذ جزئي: تمر حصة من ضوء الشمس الساقط عبر اللوح لتصل إلى النباتات.
• توليد الطاقة: يُحوَّل الضوء الذي يلتقطه اللوح إلى كهرباء متجددة.
• ضبط طيفي: تُعزَّز الأطوال الموجية الزرقاء والحمراء لدعم نمو المحصول.
• مأوى مادي: يمكن أيضاً أن يحمي تركيب الألواح فوق الحقل النباتات من ضوء الشمس المفرط ومن الأحوال الجوية القاسية مثل البَرَد أو الأمطار الغزيرة.

ما كشفته تجربة البروكلي

ركّز الباحثون على البروكلي كمحصول اختباري، فزرعوه تحت الألواح الملوّنة شبه الشفافة في الموقع التجريبي السويدي. وكانت النتيجة الرئيسية زيادة بمقدار 4.5 أضعاف في كفاءة استخدام النباتات لضوء الشمس المتاح لها مقارنة بالبروكلي المزروع في الهواء الطلق. وعملياً، ظهر هذا التحسن في الكفاءة في الحصاد: إذ نما البروكلي المنتَج تحت الألواح الأرجوانية بحجم مماثل للبروكلي التقليدي المزروع في الحقل المفتوح.

غير أن هناك تحفظاً. فقد استغرقت النباتات المحمية 25 يوماً إضافياً للوصول إلى مرحلة النضج مقارنة بنظيراتها في ضوء الشمس الكامل. وهذا التأخير مهم للمزارعين الذين يعملون وفق جداول زراعة ضيقة، أو حصادات متتابعة، أو عقود تعتمد على الالتزام بنوافذ سوقية محددة. كما يشير إلى أن البيئة الضوئية تحت الألواح، رغم كونها مواتية من الناحية الطيفية، ليست بديلاً مثالياً عن ضوء الشمس غير المقيّد من كل النواحي.

ومع ذلك، فإن الجمع بين حصاد كامل الحجم وتوليد الكهرباء في الموقع هو النتيجة التي تجعل هذا النهج جديراً بالمتابعة. فبدلاً من أن يُطلب من الحقل الاختيار بين الغذاء والطاقة، يطلب منه النظام تحقيق الأمرين معاً.

لماذا تجذب الزراعة الكهروضوئية الاهتمام

يوفر تركيب الألواح الشمسية التقليدية على الأراضي الزراعية بالفعل للمزارعين وسيلة لإنتاج كهرباء متجددة على أرض متاحة وواسعة، مع حماية المحاصيل في الوقت نفسه من ضوء الشمس المباشر المفرط ومن الأحوال الجوية الضارة. وتكمن الصعوبة في أن الألواح الكهروضوئية القياسية ذات اللون الأزرق الداكن معتمة عادةً. وعند وضعها فوق حقل، قد تُنشئ ظلاً أكثر مما تتحمله كثير من المحاصيل، ما يخفض الغلة.

وهذه بالتحديد هي المشكلة التي صُممت الألواح شبه الشفافة والملوّنة لتخفيفها. فبالسماح بمرور نسبة مضبوطة من الضوء وتشكيل الأطوال الموجية التي تنفذ، تسعى إلى إبقاء إنتاج الكهرباء ذا معنى مع ترك ضوء كافٍ قابل للاستخدام للنباتات في الأسفل. وتجربة البروكلي السويدية نقطة بيانات واحدة في هذا الجهد، إذ تختبر ما إذا كان يمكن ضبط مرشح أرجواني لخدمة محصول معين بدلاً من مجرد تقليل الضوء بصورة شاملة.

لا يوجد تصميم واحد يناسب كل مزرعة

يتحرّى ما لو ألا تبالغ في تصوير النتيجة كوصفة عالمية. ففي رأيها، لا يوجد تكوين واحد للزراعة الكهروضوئية سيؤدي على النحو الأمثل في كل موقع. وما ينجح مع البروكلي في مزرعة سويدية قد لا ينطبق مباشرة على محصول مختلف، أو خط عرض مختلف، أو مناخ مختلف.

وترى أن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم كيفية استجابة المحاصيل المختلفة لتصميمات الأنظمة المتنوعة وللظروف المناخية المتباينة، ولتصميم منشآت توازن فعلاً بين الإنتاج الزراعي وتوليد الكهرباء المتجددة. والهدف ليس إعلان فائز بين ألوان الألواح أو مستويات شفافيتها، بل بناء قاعدة أدلة تتيح للمزارعين مطابقة نظام ما مع أرضهم ومحصولهم وأهدافهم في مجال الطاقة.

ما لا يزال بحاجة إلى حل

تبقى عدة أسئلة مفتوحة قبل أن تصبح الألواح الملوّنة مشهداً روتينياً فوق الأراضي الزراعية العاملة. ففجوة النضج البالغة 25 يوماً في البروكلي تثير سؤالاً حول كيفية استجابة محاصيل أخرى — لا سيما تلك ذات مواسم النمو الأقصر أو المواعيد الأكثر صرامة للحصاد — للضوء المرشّح نفسه. كما ستحتاج جدوى تركيب الألواح شبه الشفافة، التي تولّد عادةً طاقة أقل لكل وحدة مساحة من البدائل المعتمة تماماً، إلى موازنتها مع قيمة المحصول المحمي تحتها.

ويريد الباحثون أيضاً معرفة كيف تتصرف هذه الأنظمة على مدى مواسم متعددة وعبر نطاق الأحوال الجوية التي تشهدها المزارع الحقيقية، من البَرَد والأمطار الغزيرة التي يمكن للألواح أن تساعد في درئها، إلى الفترات الأكثر غيوماً حين يكون الضوء شحيحاً أصلاً. وكل من هذه المتغيرات يمكن أن يغيّر التوازن بين مقدار الكهرباء التي ينتجها الحقل ومقدار الغذاء الذي ينتجه.

الخلاصات الرئيسية

• ألواح شمسية أرجوانية شبه شفافة مصممة خصيصاً ولّدت الكهرباء مع تعزيز الأطوال الموجية الزرقاء والحمراء للبروكلي النامي تحتها في موقع تجريبي سويدي.
• أظهر البروكلي المحمي زيادة بمقدار 4.5 أضعاف في كفاءة استخدام ضوء الشمس ونما بحجم مماثل للبروكلي المزروع في الهواء الطلق.
• المقايضة: استغرقت النباتات تحت الألواح 25 يوماً إضافياً لتنضج.
• يجري استكشاف الألواح الملوّنة شبه الشفافة كوسيلة لتجنب التظليل المفرط الذي تسببه الألواح الأزرق الداكن المعتمة على الأراضي الزراعية.
• يقول مؤلفو الدراسة إنه لا يوجد تصميم واحد للزراعة الكهروضوئية يناسب كل محصول أو تكوين أو مناخ، وإن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لموازنة إنتاج الغذاء مع توليد الكهرباء المتجددة.

يعتمد هذا المقال على تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.