محمد بدير يرفع كفاءة الخلايا الشمسيّة

«كانت لدي خلفية علميّة غير منسجمة، بل متناقضة أحياناً. غيّرت مسيرتي العلميّة أكثر من مرّة. ابتدأت مع الهندسة الكهربائيّة، ثم نلت دكتوراه في الهندسة النوويّة، وبعدها عملت في أشباه الموصلات التي تعتبر من أسس صناعة الكومبيوتر وكوابل الإنترنت. وبعدها انتقلت إلى العمل في الخلايا الشمسيّة التي قادتني إلى بحوث عن الكهرباء، خصوصاً الثنائيّات الباعثة للضوء وتأثيرها في تطوّر الأجهزة الإلكترونية المنخفضة الطاقة».
بتلك الكلمات، رسم البروفسور محمد صلاح بدير خريطة مساره علميّاً التي تضمّنت وصفه، وفقاً لوثائق جامعة «نورث كارولينا» الأميركيّة، «عالِماً سبّاقاً في مجال تطبيقات الطاقة ذات الكفاءة العالية».
بعد نيله شهادة بكالوريوس في الهندسة الكهربائيّة في جامعة الإسكندرية (1960)، عمل بدير مهندساً في المفاعل النووي المصري في «إنشاص». وبعدها، نال منحة تعليميّة من «جامعة كاليفورنيا»، التي حصل فيها على دكتوراه في الهندسة النوويّة.
ثم عاد إلى مصر وعمل رئيساً لقسم الهندسة النوويّة في «جامعة الإسكندرية».
وفي العام 1983، قصد جامعة «نورث كارولينا» الأميركيّة ليعمل أستاذاً وباحثاً متميّزاً في هندسة الكهرباء والكومبيوتر. وأشرف بدير على 17 طالب دكتوراه في مجال الخلايا الشمسيّة.
حقق بدير خلال مسيرته العلميّة إنجازات مهمة في الخلايا الشمسيّة التي تعمل مباشرة على تحويل الضوء إلى كهرباء. ومنذ ابتكارها في 1941 على يد العالِم الأميركي روسل أوهل، يدأب العلماء على زيادة كفاءة تلك الخلايا في تحويل الضوء إلى كهرباء، إذ يقدّر أن ضوء الشمس يحمل طاقة ألف واط/ساعة في المتر المربع. وتستخرج الأنواع الشائعة من الخلايا الشمسيّة مقداراً ضئيلاً من تلك الطاقة.
وفي «نورث كارولينا»، انكب بدير على بحوث عن الخلايا الشمسيّة المتعدّدة الوصلات، مع اهتمام مبدع في زيادة كفاءتها لضوء الشمس بأطيافه كافة. وفي خطوة رائدة، عمل بدير على ربط أعداد من الخلايا الشمسيّة في سلسلة وصلات، ما ساهم في تحسين الاستفادة من الطيف الشمسي، وتاليّاً تحويله تياراً كهربائيّاً. وقاد فريقاً علميّاً في إنجاز قوامه صنع مجموعة من الخلايا المتعدّدة الوصلات، وصلت كفاءتها في استخراج الكهرباء من الضوء إلى 45 في المئة، ما اعتبر معدلاً قياسيّاً غير مسبوق علميّاً.
وفي حديثه إلى «الحياة»، شدّد بدير على أن الخلايا الشمسيّة التي تحوّل الضوء مباشرة إلى كهرباء (خلايا كهروضوئيّة)، تستعمل في شكل واسع في إنتاج الكهرباء اللازمة لتشغيل الأقمار الاصطناعيّة وسفن الفضاء، ملاحظاً أنها تستطيع المساهمة في الحدّ من ظاهرة الاحتباس الحراري، وهي لا تتسبّب بأضرار للبيئة. في المقابل، ربما تكون الكلفة المرتفعة للخلايا الكهروضوئيّة عائقاً أمام التوسّع في انتشارها واستعمالها في مجالات عادية كإضاءة مصابيح الكهرباء.
وتشير وثائق المختبر الذي يديره بدير في جامعة «نورث كارولينا» إلى إنجازات حقّقها في مجال زيادة كفاءة الخلايا الكهروضوئيّة المتعددة الوصلات، تشمل أيضاً استخدام تقنيّات النانوتكنولوجيا لصنع خلايا كهروضوئيّة تصل كفاءتها إلى 45 في المئة.
كذلك تشير تلك الوثائق إلى تلقي بدير تمويلاً حكوميّاً لبحوثه، بلغ 15 مليون دولار، إضافة إلى 2.8 مليون دولار بين عامَي 2009 و2012، دعماً لبحوثه في صنع خلايا شمسيّة تفوق كفاءتها ال 45 في المئة.
صلابة الضوء
أعرب بدير عن اعتقاده بأن مصادر الإضاءة التقليدية كالمصابيح المتوهجة والفلورسانت، ليست عالية الكفاءة في تحويل الكهرباء ضوءاً، ما يزيد في عبئها على شبكة الطاقة الكهربائيّة. وأشار إلى ظهور تكنولوجيا ناشئة تهدف إلى انتاج مصادر إضاءة أكثر كفاءة بمقدار أربعة أضعاف، مع تميّزها باستهلاك منخفض للكهرباء، وبأنها لا تحتوي مواد سميّة كالزئبق الموجود في مصابيح الفلورسانت. وكذلك تستطيع خفض استهلاك الكهرباء بما يزيد عن النصف في البلدان النامية، وبقرابة الثلث في البلدان المتقدمة التي تتخلّص تدريجيّاً من التقنيات القديمة كما تركز على استعمال الإضاءة الصلبة.
وتوقّع بدير أن ترتفع الاستثمارات في الإضاءة الصلبة بسرعة في غضون سنوات قليلة، مشيراً إلى استخدامها فعليّاً في الأنواع الحديثة من إشارات المرور، وأضواء السيارات، وإنارة الشوارع ومواقف السيارات، وأضواء القطارات، وعلامات البناء الخارجيّة، وأجهزة التحكّم من بعد وغيرها. ويتلقى بدير حاضراً تمويلاً حكوميّاً لبحوثه في الإضاءة الصلبة المطلوبة لتحسين كفاءة مصابيح الليزر والضوء الأبيض. كما يشرف على 14 طالب دكتوراه في مجال الإضاءة في الحال الصلبة.
يملك بدير أيضاً إنجازات في مجال ضوء ال «ليد» الذي بات شديد الشيوع. ويأتي الاسم من عبارة «الصمّام الثنائي الباعث للضوء» Light Emitting Diode («ليد» LED). وبيّن بدير أن «ليد» هو مصدر للضوء مصنوع من أشباه الموصلات، فينبعث منه الضوء عند مرور تيار كهرباء فيه. وتسير تلك العملية في الاتجاه المعاكس أيضاً. وعندما يتعرض المصدر لضوء الشمس، يوّلد تياراً كهربائيّاً، لكنه يكون ضعيفاً بالمقارنة بالخلايا الكهروضوئيّة. وابتكر بدير أضواء «ليد» تكون ملوّنة، في ما هي تقليديّاً باللون الأزرق، بالأحمر والأصفر والأخضر. وصارت ألوان بدير في ضوء ال «ليد» شائعة الاستعمال في لوحات الإعلانات التجاريّة، وأجهزة التلفاز، ومصابيح السيارات وغيرها.
كما لمح بدير إلى أنه يعمل أيضاً على الاستفادة من أشباه الموصلات في مصابيح الكهرباء ما يجعلها تنير من دون أن تعطي حرارة عالية.
مسار علمي مرصّع
يزخر رصيد بدير بتكريمات علميّة تشمل جوائز «بحوث التنمية» التابع للأمم المتحدة، و»الإبداع» من «المؤسسة الوطنيّة (الأميركيّة) للعلوم»، و»وزارة الطاقة الأميركيّة»، و»زمالة فولبرايت»، و»التميّز الأعلى» من «جمعية الخريجين الأميركيين»، و»الكويت للتقدّم العلمي في مجال الطاقة» وغيرها، إضافة إلى نيله درجة الزمالة من «المؤسسة العالميّة لمهندسي الكهرباء والإلكترونيّات» IEEE.
في سياق النشاطات المهنية، نشر بدير ما يزيد على 300 بحث علمي و183 ورقة قدمت في مؤتمرات دوليّة، وألّف 10 فصول في كتب أكاديميّة. وأشرف أيضاً على 50 طالب دكتوراه و12 طالب ماجستير و13 ما بعد الدكتوراه. ويحوز بدير 10 براءات اختراع مسجلة في «المكتب التجاري الأميركي للبراءات». كذلك شغل بدير عضوية لجان علميّة ومهنيّة، وأكاديمية في جامعة «نورث كارولينا»، إضافة إلى عضويته في «المؤسسة الوطنيّة للعلوم»، و«المختبر الوطني»، و«لجنة الاختيار لجائزة الدولة للعلوم والتكنولوجيا الصلبة في الجمعية الكهروكيميائية»، وكذلك ترأّسه «لجنة الاختيار لبرنامج البحوث الجامعية في معهد بحوث الطاقة الشمسيّة»، و«اللجنة الاستشارية لمؤسّسة «إم سي آن سي» المتخصّصة في تكنولوجيا المعلومات. وعمل مستشاراً في وكالة «ناسا» وشركة «سباير كوربورايشون» العالمية المتخصّصة في صنع معدات إنتاج الطاقة الشمسيّة والوحدات الكهروضوئية.