فيزيك انرژي بالا


رشد صنعت و كيفيت زندگي جوامع در تمام ادوار تاريخ ، با چگونگي مصرف وتوليد انرژي رابطه مستقيمي داشته است. از طرفي منابع انرژي همچون نفت ،زغال سنگ و منابع انرژيهاي فسيلي تجديد ناپذير هستند و سرانجام روزي بهپايان خواهند رسيد. از طرف ديگر ، زندگي بشر با توليد انرژي نسبت مستقيمدارد. بنابراين ادامه حيات در روي زمين ايجاب ميكند كه بايد به فكر منابعجديد و قابل تجديد انرژي بود. نحوه توليد و استفاده از اين منابع جديدانرژي علم و دانش خاص خود را ميطلبد و چون اغلب فرايندهاي مربوط به اينمنابع جديد انرژي ، در علم فيزيك مورد مطالعه قرار ميگيرند، لذا در علمفيزيك شاخهاي تحت عنوان فيزيك انرژيهاي بالا ايجاد شده است كه بطور مفصل، مسائل مربوط به اين منابع جديد را مورد بحث قرار ميدهد.

منابع جديد انرژي و كشورهاي در حال توسعه

منابع جديد انرژي كه قابل تجديد ميباشند، تقريبا بسيار متنوع و زيادهستند. انرژي باد ، بيوانرژي ، انرژي امواج ، انرژي گراديان حرارتي درياها، ژئوترمال ، انرژي فيوژن و انرژي آب چند نمونه از اين منابع جديد انرژيهستند. البته لازم به ذكر است كه تمام اين منابع انرژي از زمانهاي قبل نيزوجود داشتند، ولي رشد و توسعه علم و تكنولوژي بشر را قادر به مهار كردناين انرژيها نموده است. در ميان منابع فوق انرژي فيوژن و انرژي خورشيد جزومنابع غني انرژي هستند كه بشر در مهار كردن آنها با مشكلاتي مواجه است.

البته شكي نيست كه به خاطر جوان بودن رشته فيزيك انرژيهاي بالا ،مشكلات تكنولوژي زيادي وجود دارند كه بايد بر آنها غالب شد. در حال حاضرتقريبا چند كشور از ممالك در حال توسعه داراي تكنولوژي استفاده از اينمنابع هستند. جدا از تكنولوژي فيوژن ، بهرهگيري از منابع جديد و قابلتجديد انرژي احتياج به يك دقت نظر و برنامهريزي دقيق دارد كه بايد از طرفمتوليان امر انرژي در اين كشورها اعمال شود.

غير متمركز بودن جمعيت در كشورهاي در حال توسعه يكي از مزاياي اينكشورها در استفاده از منابع جديد و قابل تجديد انرژي است. چون قسمت اعظمجمعيت اين كشورها در روستاها و مناطق دور افتاده زندگي ميكنند، جايي كهشبكه برق رساني و حمل و نقل يا هنوز به آنها نرسيده و يا به صورت محدود وابتدايي در اين مناطق توسعه يافته است. همچنين اين كشورها در مراحل مختلفتوسعه هستند و لذا وقت كافي براي تشكيل نمونه مصرفي ، كه با منابع جديد وقابل تجديد انرژي هماهنگ باشد، را دارا هستند.
مراحل استفاده از سيستمهاي خورشيدي

* مرحله اول در استفاده از سيستمهاي خورشيدي ، مسائل تكنولوژيكي وعلمي است كه از مسائل اصلي و ضروري هستند كه بايد بيشتر مورد توجه قرارگيرند. در اين مرحله ، بر حسب نوع آب و هوا و نوع ساختمان و شرايط محيطيراه حلهاي مختلفي ارائه ميگردد.

* مرحله دوم تلفيق و هماهنگي اين سيستمها با سيستمهاي موجود است كهاين امر از جمله مسائلي است كه بايد در شهرها مورد توجه قرار گيرد. معمولايك طرح خورشيدي بهينه بايد حدود 60 تا 80 درصد از انرژي مصرفي خود را توسطخورشيد تامين كند و بقيه را توسط يك سيستم كمكي بدست آورد.

طراحي يك سيستم خورشيدي براي تامين صد درصد انرژي تقريبا غير اقتصاديو شايد غير عملي باشد. بنابراين ، استفاده از يك سيستم كمكي كه معمولا ازشبكههاي برق و گاز تامين خواهد شد، غيرقابل اجتناب است. اين مسئله باعثبروز مشكلاتي در تنظيم و كنترل بار شبكه خواهد شد. بنابراين استفاده انبوهاز اين سيستمها در شهرها ، موضوعي است كه بايد به دقت بررسي شود.

ارتباط فيزيك انرژي بالا با ساير علوم

اصول رشته فيزيك انرژي بالا بر اساس چندين رشته مختلف از علوم مانند فيزيك، شيمي ، رياضيات ، اقتصاد ، مهندسي مكانيك ، مهندسي الكترونيك و مهندسيشيمي بنا نهاده شده است. بنابراين ، براي اشراف كامل يافتن بر موضوع نيازبه آگاهيهاي وسيعي از موضوعات مختلف وجود دارد. تنوع و گستردگي موضوع ازيك طرف و تازه و جوان و نوپا بودن علم فيزيك انرژيهاي بالا سبب شده استكه تعداد افراد متخصص در اين رشته در مقايسه با ساير رشتهها كمتر باشد.

همچنين چون انرژي هستهاي و فرايندهاي هستهاي به صورت گسترده و وسيعدر فيزيك هستهاي مورد بحث قرار ميگيرند، لذا اين علم با فيزيك هستهايارتباطي تنگاتنگ دارد. البته شاخههاي مختلف علم فيزيك مانند ترموديناميك، فيزيك راكتور ، فيزيك فضا و ساير شاخههاي فيزيك نيز با اين علم مرتبطهستند.

چند نمونه از مصارف انرژي خورشيدي در جامعه

آبگرمكن خورشيدي

مساعدترين بخش براي كاربرد انرژي خورشيدي ، بخش خانگي است. قسمت اعظمآب گرم مصرفي در اين بخش ميتواند توسط انرژي خورشيدي تأمين شود، اما درپارهاي از موارد استفاده از انرژي براي تامين آب گرم مصرفي مناسب نخواهدبود. از جمله اين موارد آپارتمانهاي بلند ، مناطق جنگلي ، خانههايي كه درجهت نامناسب قرار دارند و مناطق با تشعشعات خورشيدي كم است. در هر حال ،ميتوان بيشتر از 60 درصد آب گرم خانگي را از طريق خورشيدي تامين نمود.امروزه تكنولوژي آبگرمكنهاي خورشيدي كاملا توسعه پيدا كرده و به درجهبالايي از رشد و پيشرفت رسيده است.

گرم كردن فضا

گرم كردن فضا خصوصا در مناطق سرد احتياج به انرژي قابل ملاحظهاي داردو شايد يكي از اقلام مهمي باشد كه ميتواند با تكنولوژي موجود توسط انرژيخورشيدي تامين شود. البته اين كار چندان ساده نيست و اكثر ساختمانهايموجود براي اين كار مساعد نيستند. برخلاف سيستم آب گرم خانگي ، در اينزمينه طرحهاي مختلفي وجود دارد كه به عنوان مثال ميتوان به سيستمهاي هوا، سيستمهاي آبي ، سيستمهاي پسيو و غيره اشاره كرد.

توليد بخار صنعتي

معمولا بخار در محدوده 300 _ 500 درجه فارنهايت در بيشتر صنايع مورداستفاده قرار ميگيرد. متمركز كنندهها ميتوانند چنين درجه حرارتي راتامين كنند. روشهاي مختلفي در اين زمينه وجود دارد، ولي معلوم نيست كهكدام روش بهترين است. ذخيره انرژي يكي از مسائل اصلي اين سيستمهاست.هيچگونه سيستم ارزان قيمت و سادهاي براي ذخيره حرارت در اين محدوده وجودندارد.

توليد الكتريسته توسط سلولهاي خورشيدي

سلول خورشيدي وسيلهاي است كه ميتواند با استفاده از انرژي خورشيديجريان الكتريسيته توليد كند. اين سلولها ميتوانند در يك ماهواره مصنوعيخارج از جو زمين ، در محلي كه بيشتر اوقات خارج از سايه زمين قرار دارد،نصب شوند. انرژي حاصل از خورشيد توسط اين سلولها به امواج ماكروويو تبديلشده و به زمين ارسال ميگردد. سپس طي فرايندهايي امواج ماكروويو به انرژيالكتريسيته تبديل ميگردند.

توليد الكتريسيته توسط تبديل حرارتي

بخار ايجاد شده توسط انرژي خورشيدي ميتواند يك توربين مولد الكتريستهرا به حركت در آورد و جريان الكتريسته ايجاد نمايد. البته اين كارميتواند به روشهاي مختلف صورت گيرد.

توليد هيدروژن در راكتور هستهاي

مشكل ذخيره انرژي يكي از مشكلات اساسي بر سر راه توسعه و كاربرد انرژيخورشيدي در درجه حرارت بالا است. هدف نهايي تجزيه آب توسط انرژي خورشيدي وتوليد هيدروژن است. اين كار ميتواند با استفاده از كاتاليزورها درراكتورها و در درجه حرارت بالا و يا بوسيله عمل الكتروليز انجام شود.هيدروژن توليد شده ميتواند براي مدت طولاني ذخيره شده و يا بوسيله لولهانتقال پيدا كند. سلولهاي سوختي ميتوانند با بازده بالايي هيدروژن را بهالكتريسيته تبديل كنند.

به نقل از دانشنامه رشد