هلیوژن، شرکتی که با هوش مصنوعی زمین را نجات می‌دهد

زمینی که به زمین گرم بخورد، ما را نیز با خود به زیر خواهد کشاند. زمین کشتی ماست و اگر غرق شود و از بین برود دیگر «ما»یی باقی نمی‌ماند. فقط هم ما نه. هزاران یا شاید میلیون گونه گیاهی و جانوری نیز از بین می‌روند.

قضیه وقتی بدتر می‌شود که به این فکر کنید که احتمالا زمین تنها سیاره دارای حیات در جهان هستی و ما هم احتمالا تنها گونه هوشمند جهان هستی هستیم و اگر زمین از بین برود، یعنی زمین را با ادامه روند فعلی از بین ببریم، احتمالا کل حیات هستی را از بین برده‌ایم.

اما به‌تازگی شرکتی با نام هلیوژن (Heliogen) پیدا شده است که به‌صورت عملی می‌تواند با کمک هوش مصنوعی به نجات زمین کمک کند.

باز هم گرمایش زمین

مصرف سوخت‌های فسیلی و رهاسازی حجم عظیمی از گاز دی‌اکسید کربن در کنار نتایج دیگری مثل افزایش سرعت رشد گیاهان، باعث محصور ماندن انرژی خورشید در اتمسفر زمین و افزایش دمای آن شده است. اتفاقی که با عنوان گرمایش زمین شناخته می‌شود.

گرمایش زمین نیز باعث تغییرات اقلیمی در کل کره زمین، تخریب زیست‌گاه‌های جانوری و افزایش خطر خشک‌سالی یا یخ‌بندان در مناطق گوناگون کره زمین، آزاد شدن باکتری‌ها و ویروس‌های باستانی محصور مانده در یخ‌های شمالگان و جنوبگان و در نتیجه افزایش احتمال وقوع اپیدمی‌های مهلک گردیده است.

صخره‌های مرجانی تخریب شده

در کنار این‌ها، افزایش گاز دی‌اکسید کربن در اتمسفر باعث افزایش غلظت این گاز در آب‌های اقیانوس‌ها هم شده. اتفاقی که به افزایش اسیدیته یا pH آب اقیانوس‌ها و تخریب صخره‌های مرجانی تشکیل یافته از رسوبات و مواد آهکی منجر گردیده است.

صخره‌های مرجانی هم در سراسر دنیا به‌عنوان بزرگ‌ترین موجودات زنده، خود مامن گونه‌های دریایی بسیار زیادی هستند که تخریب آن‌ها به معنی تخریب زیستگاه و مرگ این گونه‌های دریایی است.

هشدار گرمایش زمین

دانشمندان از سال‌ها پیش در مورد گرمایش زمین و اثر گاز دی‌اکسید کربن روی آن هشدار داده بودند. نکته جالب اینجاست که اولین کسانی در مورد این قضیه به نتایج مهمی دست‌ یافتند، یک گروه تحقیقاتی در شرکت اکسون‌موبیل (ExxonMobil) بود.

اما مدیران این شرکت به دلیل اینکه می‌دانستند نتیجه این تحقیق می‌تواند به کاهش مصرف نفت و گاز منجر شود، از انتشار نتایج این تحقیق خودداری کردند زیرا خود یکی از بزرگ‌ترین شرکت‌های نفت و گاز دنیا هستند.

سال‌هاست که دانشمندان حد نهایی غلظت دی‌اکسید کربن در جو زمین را 400ppm یا 400 واحد در یک‌میلیون عنوان کرده‌اند.

400ppm مقداری است که اگر غلظت دی‌اکسید کربن در جو از آن بیشتر شود، اثرات غیرقابل بازگشتی روی کره زمین برجای می‌گذارد. نکته تامل برانگیز قضیه اینجاست که غلظت دی‌اکسید کربن در سال 2014 به این مقدار رسیده است و در حال حاضر 408.53ppm است.

این رقم همچنان در حال افزایش است و دانشمندان دوباره هشدار داده‌اند که فقط 10 سال برای نجات زمین فرصت هست. اگر در این ده سال غلظت دی‌اکسید کربن در زمین کاهش نیابد، اثرات غیرقابل بازگشتی بر کره زمین ایجاد خواهد کرد.

منابع تولید دی‌اکسید کربن و گرمایش زمین

چندین منبع عمده برای تولید گازهای گلخانه‌ای و خصوصا دی‌اکسید کربن در زمین وجود دارند.

14 درصد از دی‌اکسید کربن تولیدی از حمل‌ونقل است. این بخش شامل حمل‌ونقل دریایی، هوایی و زمینی است. در شهرها عمده‌ترین بخش تولید دی‌اکسید کربن مربوط به خودروها است.

23 درصد از صنایع مثل صنایع فولاد و سیمان است که برای گرم کردن کوره‌های خود از گاز طبیعی یا زغال‌سنگ استفاده می‌کنند.

25 درصد ناشی از تولید الکتریسیته و حرارت است که مشخصا از نیروگاه‌های حرارتی که با زغال‌سنگ، نفت کوره و یا گاز طبیعی کار می‌کنند، حاصل می‌شود.

24 درصد ناشی از کشاورزی، دامداری و جنگل‌زدایی برای انجام این کارها، 6 درصد از ساختمان‌ها و 10 درصد هم ناشی از تولید دیگر انرژی‌ها است.

چگونه جلوی گرمایش زمین را بگیریم؟

تا به امروز برای کاهش تولید دی‌اکسید کربن در هر یک از این بخش‌ها راهکارهای گوناگونی ارائه داده‌ایم.

در بخش کشاورزی، عمده دی‌اکسید کربن ناشی از دامداری و تولید گوشت است. در این صنعت انباشت فضولات حیوانی و تجزیه آن‌ها نه‌تنها گاز دی‌اکسید کربن بلکه گاز متان که اثر گلخانه‌ای آن 25 برای دی‌اکسید کربن است آزاد می‌کند.

در نتیجه کاهش مصرف گوشت می‌تواند به‌صورت چشم‌گیری میزان تولید دی‌اکسید کربن را در این بخش کاهش دهد.

در بخش حمل‌ونقل لااقل می‌توانیم با توسعه خودروها و قطارهای برقی، بخش زیادی از دی‌اکسید کربن تولید را حذف کنیم. فعلا راه‌حل قابل‌اتکایی برای حذف گازهای گلخانه‌ای در حمل‌ونقل دریایی و هوایی نداریم.

اما استفاده از خودروها و قطارهای برقی، مصرف برق در جهان را بسیار افزایش می‌دهد و دی‌اکسید کربن تولیدی این بخش را به بخش الکتریسیته منتقل می‌کند.

کامیون‌های نیمه الکتریکی تسلا

برای تولید الکتریسیته پاک هم علی‌رغم تاکید فراوانی که تا به امروز در مورد منابع تجدیدپذیر انرژی مثل انرژی بادی و خورشیدی و دیگر منابع شده، تنها دو راه‌حل منطقی وجود دارد.

یکی انرژی زمین‌گرمایی که در هر مکانی عملی نیست و دیگری استفاده گسترده از انرژی هسته‌ای. نیروگاه‌های هسته‌ای در قیاس با نیروگاه‌های بادی و خورشیدی چند مزیت بسیار مهم دارند.

اولا در همه‌جا قابل‌راه‌اندازی هستند. منابع کمتری برای ساخت آن‌ها لازم است و در نتیجه زباله کمتری تولید می‌کنند و دی‌اکسید کربن تولید شده در حین ساخت آن‌ها نیز کمتر است.

در نگهداری آن نیز زباله کمتری تولید می‌شود و همچنین به دلیل مساحت کمتر آن‌ها، تاثیرات زیست‌محیطی بسیار کمی در قیاس با نیروگاه‌های بادی و خورشیدی دارند.

پس صرفا استفاده از خودروها و قطارهای برقی و نیروگاه‌های هسته‌ای می‌تواند میزان دی‌اکسید کربن تولیدی را تا 39 درصد کاهش دهد.

گرمایش زمین ناشی از صنایع

اما هنوز بخش صنعت مانده است که 23 درصد از دی‌اکسید کربن جهانی را تولید می‌کند. در صنایعی مثل فولاد، سیمان، آلومینیوم و مس، مشخصا باید کوره‌هایی برای پختن سیمان و ذوب کردن فلزات وجود داشته باشند.

در برخی صنایع مثل صنایع آلومینیوم و برخی از کارخانه‌های فولاد این کوره‌ها برقی هستند اما این قضیه شامل همه نمی‌شود. هنوز هم کوره‌های وجود دارند که از سوخت‌های فسیلی مثل زغال‌سنگ، نفت کوره و گاز طبیعی استفاده می‌کنند.

یک کارخانه سیمان در هنگ‌کنگ

کشورهایی مثل چین در تلاش برای کاهش آلودگی، مقررات و مشوق‌هایی ایجاد شده‌اند که صنایع را مجاب کنند از کوره‌های زغال‌سنگ با بازدهی بالا استفاده کنند.

نیروگاه خورشیدی به کمک می‌آید

در نیروگاه‌های خورشیدی دو فناوری برای تولید برق استفاده می‌شود. فناوری اول صفحه‌‌های خورشیدی نیمه‌رسانا هستند که با بازدهی ۳۰ درصد نور خورشید را مستقیما به برق تبدیل می‌کنند.

اما همان‌طور که گفتیم این صفحه‌ها پس‌ازآن که مستهلک می‌شوند، به‌سختی قابل بازیافت هستند زیرا هزینه تولید پنل‌های جدید ارزان‌تر از بازیافت پنل‌های جدید درمی‌آیند. این مسئله در نهایت میزان زباله ناشی از تولید انبوه این صفحه‌ها را افزایش می‌دهد.

در کنار این‌ها یک فناوری دیگر هم برای پنل‌های خورشیدی وجود دارد. فناوری دیگری که در آن به‌جای اینکه مستقیما نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل کنند، با تمرکز نور خورشید در یک لوله‌ یا یک نقطه، یک واسط گرمایی مثل روغن را داغ کرده و از آن برای بخار کردن آب و چرخاندن توربین‌ها استفاده می‌کنند.

این نوع از نیروگاه‌های خورشیدی در ایران‌ هم وجود دارند. فناوری ساخت این نیروگاه‌ها در قیاس با نیروگاه‌های پنل‌های خورشیدی ساده‌تر است. این نوع نیروگاه‌ها، نیروگاه‌های خورشید گرمایی (Solar thermal power plant) نام دارند.

میزان استهلاک در این نیروگاه‌ها بسیار کم است؛ زیرا خیلی بعید است که یک سطح بازتاب‌دهنده مثل آینه‌ها به‌واسطه بازتاب نور خورشید در طول زمان به این زودی‌ها خراب شوند.

حتی اگر خراب هم شوند بازیافت آینه‌ها و ساخت آینه جدید با آن‌ها احتمالا هزینه چندان زیادی ندارد و مطمئنا آینه‌های خراب‌شده سر از زباله در نمی‌آورد.

انواع نیروگاه‌های خورشیدی گرمایی

دو نوع نیروگاه خورشید گرمایی در جهان وجود دارد.

نوع اول از یک آرایه افقی و آینه‌هایی که برش دوبعدی هذلولی هستند استفاده می‌کند. یک لوله حامل روغن نیز در نقطه کانون این آینه‌ها موازی آینه نصب می‌شود. این آینه‌ها نور خورشید را روی لوله متمرکز و روغن داخل آن را داغ می‌کنند.

نیروگاه خورشید گرمایی با واسط روغن

این روغن داغ در نهایت با پمپ چرخانده‌ شده و برای تبخیر آب استفاده می‌شود که بخار حاصله نیز در نهایت برای چرخاندن توربین‌ها به کار می‌رود.

نیروگاه‌های خورشید گرمایی که در ایران وجود دارند از همین نوع اول هستند.

این نوع نیروگاه‌های خورشید گرمایی که در دیگر مناطق جهان نیز وجود دارد، همان مشکل نیروگاه‌های با صفحه خورشیدی را دارند؛ یعنی قابل‌اتکا نیستند و هنگامی‌که شدت نور آفتاب کم است، نمی‌توانند انرژی تولید کنند.

در این نیروگاه‌ها از یک سیستم یک‌بعدی برای ردگیری نور آفتاب به‌منظور دریافت بیشترین انرژی از آن استفاده می‌شود. از آنجایی این آینه‌ها فقط می‌توانند در یک محور بچرخند، در نتیجه نمی‌توانند انرژی خورشیدی را به‌صورت کامل دریافت و روی کانون متمرکز کنند.

خود شکل آینه‌ها هم که دوبعدی است در کاهش این بازدهی دریافت نور خورشید تاثیر زیاد دارد.

به همین دلیل نوع دیگری از نیروگاه‌های خورشید گرمایی نیز ساخته‌شده‌اند که از ایده مشابهی با روش متفاوت استفاده می‌کنند.

نیروگاه‌هایی خورشید گرمایی با یک نقطه کانونی

در این نیروگاه‌ها تعداد زیادی آینه روی سطح زمین نصب می‌شوند و کار همه‌شان این است که نور خورشید را در یک نقطه که معمولا بالای یک برج قرار دارد متمرکز کنند؛ یعنی تعداد زیاد آینه در یک زمین نصب می‌شوند که کانون همگی آن‌ها یک نقطه در بالای یک برج است.

در این نوع نیروگاه خورشید گرمایی نیز مشخصا از یک سیستم برای ردگیری نور آفتاب استفاده می‌شود تا همواره بتوانند بیشترین انرژی را به نقطه کانون برسانند.

چون در این نیروگاه‌های نور همه‌ آینه‌ها فقط در یک نقطه متمرکز می‌شوند، مشخصا دمای نقطه کانونی بسیار زیاد می‌شود. فناوری‌های امروز، امکان ردگیری و بازتاب نور خورشید را تا آنجایی می‌دهند که می‌توان در نقطه کانونی دمایی در حدود 800 درجه تولید کرد.

دمای 800 درجه با اینکه مثلا برای ذوب فولاد کافی نیست، اما می‌تواند نمک طعام را ذوب کند.

در این نیروگاه‌های نمک طعام در نقطه کانون قرار داده و ذوب می‌شود. سپس یک سیستم این نمک مایع را حرکت می‌دهد و با استفاده از گرمای آن، آب را بخار می‌کند که این بخار آب هم برای چرخاندن توربین‌ها به کار می‌رود.

نیروگاه گِما سولار

بزرگ‌ترین نیروگاه گرما خورشیدی که از نمک مایع به‌عنوان واسط انتقال انرژی استفاده می‌کند، نیروگاه گِما سولار (Gemasolar Thermosolar Plant) در استان ‌سویل (Seville) اسپانیا است.

نیروگاه گما سولار 19.9 مگاوات توان تولید برق دارد و در سال 2013 توانست به مدت 36 روز به‌صورت دائمی برق تولید کند.

این اتفاقی است که هیچ نیروگاه خورشیدی تا به امروز موفق به انجام آن نشده است. گما سولار این کار را با ذخیره‌سازی نمک مایع و استفاده از آن در طول شب به دست آورد.

البته این نوع نیروگاه‌های خورشید گرمایی در جهان زیاد هستند. همین نیروگاه گما سولار بر پایه فناوری‌هایی که در نیروگاه خورشید گرمایی شهر بارستو (Barstow) در کالیفرنیای آمریکا آزمایش‌شده ساخته‌شده است.

اما همه این نیروگاه‌ها یک مشکل دارند. اینکه نمی‌تواند دمای نقطه کانون را چندان بالا ببرند و در بهترین حالت فقط می‌توانند نمک را که دمای ذوب آن 802 درجه است، ذوب کنند.

مشکل کجاست؟

این مشکل ناشی از دو چیز است. اولا خود ساخت و پرداخت آینه‌ها چالش‌برانگیز است. ساخت این آینه‌ها که بتوانند نور را در فاصله چند ده تا چند صد متری متمرکز کنند، دقت بسیار زیاد لازم دارد و کمی خطا در پرداخت آن‌ها در نهایت می‌تواند باعث کاهش دریافت انرژی خورشید شود. البته رفع این مشکل کار سختی نیست.

از آن‌سو خود حرکت دادن این آینه‌ها برای ردگیری آفتاب هم چالش‌برانگیز است؛ زیرا معمولا اندازه آینه‌ها بزرگ است و کنترل کردن هرکدام از آینه‌ها به‌صورت تک‌به‌تک، هم تجهیزات کنترلی دقیق می‌خواهد و هم لازم است سیستم‌ها بتوانند چیزهایی سنگینی مثل همین آینه‌ها همراه با چارچوب آن را با دقت دقیقه (یک‌شصتم یک درجه) و یا حتی ثانیه (یک‌شصتم یک دقیقه) آن‌هم در دو محور حرکت دهند.

همه این‌ها یک چالش بودند تا اینکه خبری همین ده روز پیش یعنی در 20 نوامبر 2019، صنعت انرژی تجدیدپذیر را مسحور کرد.

یک استارت‌آپ با نام هلیوژن (Heliogen) که مدت‌ها پیش از سوی بیل گیتس سرمایه جلب کرده بود، توانسته نوعی از هوش مصنوعی را مختص همین نیروگاه‌ها و برای کنترل حرکت آینه‌ها بسازد.

نیروگاه خورشیدی هلیوژن

من وقتی در ابتدا به این مسئله فکر می‌کردم، برایم یک سوال مطرح بود. اینکه اگر حرکت آینه‌ها در نهایت با استفاده از چند حسگر و یک الگوریتم کنترلی یکپارچه توسط کامپیوتر مرکزی کنترل می‌شود، در این صورت سیستم می‌تواند به‌صورت آنلاین دائما از حسگرها داده بگیرد و متناسب با آن هر آینه‌ای را تنظیم کند.

راستش خیلی نمی‌دانم که آیا فناوری کنترل حرکت آینه‌ها تا به امروز از ایده مشابهی استفاده می‌کرد و یا اینکه هر آینه برای خود یک کامپیوتر کنترلی داشت.

اما مستقل از این‌ها آنچه به نظر می‌رسد این است که هیچ‌کدام از این روش‌ها تا به امروز نمی‌توانستند دمای نقطه کانون را بیشتر از همان 800 درجه بالا ببرند.

کاری که شرکت هلیوژن انجام داده این است که یک سیستم هوش مصنوعی یکپارچه برای کنترل هماهنگ حرکت همه آینه‌ها ساخته است. این کار در نهایت باعث شده است که میزان بازدهی دریافت انرژی خورشید افزایش یابد و این شرکت بتوان در نقطه کانون به دمای بالای 1000 درجه سانتی‌گراد برسد.

این افزایش 25 درصدی بازدهی این نوع نیروگاه‌های خورشید گرمایی می‌تواند در نهایت باعث افزایش توان تولیدی در این نیروگاه‌ها شود.

چگونه دی‌اکسید کربن تولید صنایع را کاهش دهیم؟

همه این‌ها را گفتیم که به این نکته برسیم که همین پروژه شرکت هلیوژن می‌تواند کوره‌های ذوب و گرمایی را که در صنایعی مثل فولاد، سیمان، آلومینیوم و شیشه با سوخت فسیلی کار می‌کردند، جایگزین کند.

تا به امروز که نمی‌شد در این نیروگاه‌ها دمای بالا 800 درجه داشت ولی در حال حاضر با کمک هوش مصنوعی ساخته هلیوژن، رسیدن به دمای بیشتر از 1000 درجه امکان‌پذیر است. چنین دمایی هم برای تولید سیمان، فولاد، شیشه و آلومینیم کافی است. در نتیجه به همین راحتی می‌توان جلو انتشار 23 درصد از گازهای گلخانه‌ای را گرفت.