فیزیک انرژی بالا

رشد صنعت و کیفیت زندگی جوامع در تمام ادوار تاریخ، با چگونگی مصرف و تولید انرژی رابطه مستقیمی ‌داشته است. از طرفی منابع انرژی همچون نفت، زغال‌سنگ و منابع انرژی‌های فسیلی تجدیدناپذیر هستند و سرانجام روزی به پایان خواهند رسید. از طرف دیگر، زندگی بشر با تولید انرژی نسبت مستقیم دارد. بنابراین ادامه حیات در روی زمین ایجاب می‌کند که باید به فکر منابع جدید و قابل تجدید انرژی بود.نحوه تولید و استفاده از این منابع جدید انرژی علم و دانش خاص خود را می‌طلبد و چون اغلب فرایندهای مربوط به این منابع جدید انرژی ، در علم فیزیک مورد مطالعه قرار می‌گیرند، لذا در علم فیزیک شاخه‌ای تحت عنوان فیزیک انرژی‌های بالا ایجاد شده است که بطور مفصل، مسائل مربوط به این منابع جدید را مورد بحث قرار می‌دهد.
منابع جدید انرژی و کشورهای در حال توسعه
منابع جدید انرژی که قابل تجدید می‌باشند، تقریبا بسیار متنوع و زیاد هستند. انرژی باد، بیوانرژی، انرژی امواج، انرژی گرادیان حرارتی دریاها، ژئوترمال، انرژی فیوژن و انرژی آب چند نمونه از این منابع جدید انرژی هستند. البته لازم به ذکر است که تمام این منابع انرژی از زمانهای قبل نیز وجود داشتند، ولی رشد و توسعه علم و تکنولوژی بشر را قادر به مهار کردن این انرژیها نموده است. در میان منابع فوق انرژی فیوژن و انرژی خورشید جزو منابع غنی انرژی هستند که بشر در مهار کردن آنها با مشکلاتی مواجه است.البته شکی نیست که به خاطر جوان بودن رشته فیزیک انرژی‌های بالا، مشکلات تکنولوژی زیادی وجود دارند که باید بر آنها غالب شد. در حال حاضر تقریبا چند کشور از ممالک در حال توسعه دارای تکنولوژی استفاده از این منابع هستند. جدا از تکنولوژی فیوژن، بهره‌گیری از منابع جدید و قابل تجدید انرژی احتیاج به یک دقت نظر و برنامه‌ریزی دقیق دارد که باید از طرف متولیان امر انرژی در این کشورها اعمال شود.غیر متمرکز بودن جمعیت در کشورهای در حال توسعه یکی از مزایای این کشورها در استفاده از منابع جدید و قابل تجدید انرژی است. چون قسمت اعظم جمعیت این کشورها در روستاها و مناطق دور افتاده زندگی می‌کنند، جایی که شبکه برق‌رسانی و حمل و نقل یا هنوز به آنها نرسیده و یا به صورت محدود و ابتدایی در این مناطق توسعه یافته است. همچنین این کشورها در مراحل مختلف توسعه هستند و لذا وقت کافی برای تشکیل نمونه مصرفی ، که با منابع جدید و قابل تجدید انرژی هماهنگ باشد، را دارا هستند.
مراحل استفاده از سیستمهای خورشیدی
مرحله اول در استفاده از سیستمهای خورشیدی، مسائل تکنولوژیکی و علمی ‌است که از مسائل اصلی و ضروری هستند که باید بیشتر مورد توجه قرار گیرند. در این مرحله، بر حسب نوع آب و هوا و نوع ساختمان و شرایط محیطی راه حلهای مختلفی ارائه می‌گردد.مرحله دوم تلفیق و هماهنگی این سیستمها با سیستمهای موجود است که این امر از جمله مسائلی است که باید در شهرها مورد توجه قرار گیرد. معمولا یک طرح خورشیدی بهینه باید حدود ۶۰ تا ۸۰ درصد از انرژی مصرفی خود را توسط خورشید تامین کند و بقیه را توسط یک سیستم کمکی بدست آورد.طراحی یک سیستم خورشیدی برای تامین صد درصد انرژی تقریبا غیر اقتصادی و شاید غیر عملی باشد. بنابراین، استفاده از یک سیستم کمکی که معمولا از شبکه‌های برق و گاز تامین خواهد شد، غیرقابل اجتناب است. این مسئله باعث بروز مشکلاتی در تنظیم و کنترل بار شبکه خواهد شد. بنابراین استفاده انبوه از این سیستمها در شهرها، موضوعی است که باید به دقت بررسی شود.
ارتباط فیزیک انرژی بالا با سایر علوم
اصول رشته فیزیک انرژی بالا بر اساس چندین رشته مختلف از علوم مانند فیزیک، شیمی، ریاضیات، اقتصاد، مهندسی مکانیک، مهندسی الکترونیک و مهندسی شیمی ‌بنا نهاده شده است. بنابراین، برای اشراف کامل یافتن بر موضوع نیاز به آگاهیهای وسیعی از موضوعات مختلف وجود دارد. تنوع و گستردگی موضوع از یک طرف و تازه و جوان و نوپا بودن علم فیزیک انرژی‌های بالا سبب شده است که تعداد افراد متخصص در این رشته در مقایسه با سایر رشته‌ها کمتر باشد.همچنین چون انرژی هسته‌ای و فرایندهای هسته‌ای به صورت گسترده و وسیع در فیزیک هسته‌ای مورد بحث قرار می‌گیرند، لذا این علم با فیزیک هسته‌ای ارتباطی تنگاتنگ دارد. البته شاخه‌های مختلف علم فیزیک مانند ترمودینامیک، فیزیک راکتور، فیزیک فضا و سایر شاخه‌های فیزیک نیز با این علم مرتبط هستند.
چند نمونه از مصارف انرژی خورشیدی در جامعه
آبگرمکن خورشیدی
مساعدترین بخش برای کاربرد انرژی خورشیدی، بخش خانگی است. قسمت اعظم آب گرم مصرفی در این بخش می‌تواند توسط انرژی خورشیدی تامین شود، اما در پاره‌ای از موارد استفاده از انرژی برای تامین آب گرم مصرفی مناسب نخواهد بود. از جمله این موارد آپارتمانهای بلند، مناطق جنگلی، خانه‌هایی که در جهت نامناسب قرار دارند و مناطق با تشعشعات خورشیدی کم است. در هر حال، می‌توان بیشتر از ۶۰ درصد آب گرم خانگی را از طریق خورشیدی تامین نمود. امروزه تکنولوژی آبگرمکن‌های خورشیدی کاملا توسعه پیدا کرده و به درجه بالایی از رشد و پیشرفت رسیده است.
گرم کردن فضا
گرم کردن فضا خصوصا در مناطق سرد احتیاج به انرژی قابل ملاحظه‌ای دارد و شاید یکی از اقلام مهمی‌ باشد که می‌تواند با تکنولوژی موجود توسط انرژی خورشیدی تامین شود. البته این کار چندان ساده نیست و اکثر ساختمانهای موجود برای این کار مساعد نیستند. برخلاف سیستم آب گرم خانگی، در این زمینه طرحهای مختلفی وجود دارد که به عنوان مثال می‌توان به سیستمهای هوا، سیستمهای آبی، سیستمهای پسیو و غیره اشاره کرد.
تولید بخار صنعتی
معمولا بخار در محدوده ۳۰۰ _ ۵۰۰ درجه فارنهایت در بیشتر صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. متمرکز کننده‌ها می‌توانند چنین درجه حرارتی را تامین کنند. روشهای مختلفی در این زمینه وجود دارد، ولی معلوم نیست که کدام روش بهترین است. ذخیره انرژی یکی از مسائل اصلی این سیستمهاست. هیچگونه سیستم ارزان قیمت و ساده‌ای برای ذخیره حرارت در این محدوده وجود ندارد.
تولید الکتریسته توسط سلولهای خورشیدی
سلول خورشیدی وسیله‌ای است که می‌تواند با استفاده از انرژی خورشیدی جریان الکتریسیته تولید کند. این سلولها می‌توانند در یک ماهواره مصنوعی خارج از جو زمین ، در محلی که بیشتر اوقات خارج از سایه زمین قرار دارد، نصب شوند. انرژی حاصل از خورشید توسط این سلولها به امواج ماکروویو تبدیل شده و به زمین ارسال می‌گردد. سپس طی فرایندهایی امواج ماکروویو به انرژی الکتریسیته تبدیل می‌گردند.
تولید الکتریسیته توسط تبدیل حرارتی
بخار ایجاد شده توسط انرژی خورشیدی می‌تواند یک توربین مولد الکتریسته را به حرکت در آورد و جریان الکتریسته ایجاد نماید. البته این کار می‌تواند به روشهای مختلف صورت گیرد.
تولید هیدروژن در راکتور هسته‌ای
مشکل ذخیره انرژی یکی از مشکلات اساسی بر سر راه توسعه و کاربرد انرژی خورشیدی در درجه حرارت بالا است. هدف نهایی تجزیه آب توسط انرژی خورشیدی و تولید هیدروژن است. این کار می‌تواند با استفاده از کاتالیزورها در راکتورها و در درجه حرارت بالا و یا بوسیله عمل الکترولیز انجام شود. هیدروژن تولید شده می‌تواند برای مدت طولانی ذخیره شده و یا بوسیله لوله انتقال پیدا کند. سلولهای سوختی می‌توانند با بازده بالایی هیدروژن را به الکتریسیته تبدیل کنند.
چکیده
آنچه اشاره شد، نمونه بسیار کوچکی از کاربردهای انرژی خورشیدی در زندگی مردم جامعه است که نمونه عملی از فیزیک انرژی بالاست. البته لازم به ذکر است که همانگونه که اشاره شد در میان انرژی‌های جدید که قابل تجدید هستند، انرژی فیوژن و انرژی خورشیدی بیشتر مورد توجه است. البته انرژی‌های دیگر نیز مورد توجه بوده و مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال از انرژی آب در حرکت دادن توربین‌ها استفاده می‌شود.!
منبع: رشد

منبع : پایگاه اطلاع رسانی وزارت نیرو