كيف ترفع الظروف الجوية القاسية نسبة تلوث الهواء؟

أسباب عديدة دفعت مريم مهدي الطاهر لدخول عالم كاوست وتتويج ذلك بتخرجها بتفوق والتحاقها كعالمة مختبرات في قسم أبحاث تقنية الوقود في مركز الأبحاث والتطوير في أرامكو السعودية في مدينة الظهران.
بدأت مريم رحلتها الدراسية بدراسة مرحلة البكالوريوس في الكيمياء من جامعة الإمام عبدالرحمن بن فيصل بالدمام (جامعة الدمام سابقاً) وتخرجت فيها عام 2008. ثم سافرت بعد ذلك إلى الولايات المتحدة لدراسة اللغة الإنجليزية. بعد عودتها التحقت بجامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) لدراسة الماجستير في العلوم الكيميائية وتخرجت منها في العام 2015. وكانت رسالتها للماجستير تحت إشراف البروفسور نيكوس هادجيكريستيدس تحت عنوان:
Synthesis and Characterization of Novel Polymethylene-Based 3-Miktoarm Star Copolymers by Combining Polyhomologation with Other Living Polymerizations وهي تعمل الآن على دراسات علمية مختلفة حول زيادة كفاءة الوقود المستخدم في السيارات وتقليل انبعاثات العوادم الضارة تماشيا مع رؤية المملكة في توفير مصادر طاقة صديقة للبيئة.
تقول مريم عن الفترة التي قضتها في الجامعة: لكاوست أجواء مميزة لم أشهد لها مثيلاً في أي مكان آخر، ليس فقط بالنسبة لي وإنما لأسرتي أيضاً، فأنا متزوجة ووالدة لطفلين. مرافقها الأكاديمية الفريدة وطبيعتها الساحلية الخلابة وأنشطتها الاجتماعية المختلفة وأحياؤها السكنية الدافئة صنعت ذكريات إيجابية وسعيدة لي ولأطفالي لا يمكن نسيانها. وتضيف: إن الأسباب التي دفعتني لاختيار كاوست عديدة؛ فهي جامعة رائدة ومميزة بأبحاثها المتنوعة بشكل عام وفي أبحاث الكيمياء بشكل خاص. إضافة إلى تواجد نخبة من العلماء المختصين في شتى المجالات العلمية، تجهيز المعامل بأحدث وسائل التقنية، وتنوع المصادر العلمية ووفرتها.
تلك المميزات ساعدتها في التخرج بتفوق ثم الحصول على وظيفة متميزة في أكبر شركة للنفط في العالم وهي أرامكو السعودية. وقدمت مريم نصيحتها للطلبة بأن عليهم اكتشاف شغفهم في العلم، ومعرفه نقاط القوة لديهم، واستثمار جزء من وقتهم في الأنشطة اللامنهجية لضمان وظيفة في سوق العمل. وفي نهاية حديثها وجهت شكرها للقائمين على إتاحة هذه الفرصة للمشاركة بتجربتها في الجامعة. تقول مريم: كاوست بمؤسسيها وإدارتها ومنسوبيها قدمت لي الكثير، وأتمنى أن أرد شيئاً من هذا الجميل. وأسأل الله أن يرحم الملك عبدالله مؤسس الجامعة وأن ينفع المملكة والعالم بهذا الصرح العلمي الفريد.
مريم الطاهر..
من «كاوست»
إلى أكبر شركة نفط في العالم
قد يكون مفهوماً للكثير من الناس ممن يتابع النشرات الجوية وتنبؤات الطقس لأهميتها في الحياة اليومية، ولكن قد يتساءل البعض لماذا نحتاج للتنبؤ بالإشعاع الشمسي. يجيب العلماء والمختصون بأنها تعد من الأدوات المهمة جدّاً في تطبيقات علم المناخ والطاقة. وفي هذا الإطار وقعت جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية ومدينة الملك عبدالله للطاقة الذرية والمتجددة أخيراً اتفاقية تجمع بين الموارد المتقدمة لدى المؤسستين لإجراء دراسات شاملة عن الإشعاع الشمسي في المملكة وظروف طقس الغلاف الجوي.
وكانت مدينة الملك عبدالله للطاقة الذرية والمتجددة قد شاركت في مشروع أطلس مصادر الطاقة المتجددة في إطار المركز الوطني لبيانات الطاقة المتجددة في المملكة الذي يقدم تقييمات لمصادر الطاقة المتجددة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح في المملكة.
ورصدت محطات المراقبة في المشروع البيانات الشمسية وحركة الرياح بهدف إنشاء قاعدة بيانات يسهل الوصول إليها من قبل مطوري مشاريع الطاقة والباحثين والمؤسسات الحكومية والقطاع الصناعي والأوساط الأكاديمية وعموم الجمهور. كما جرت أيضاً إضافة أدوات المحاكاة والنمذجة إلى المشروع لرسم صورة أكثر شمولاً لطقس الغلاف الجوي.
ويتطلب التنبؤ اليومي بظروف الطقس والغلاف الجوي إنتاج مقادير هائلة من المتغيرات المناخية، منها درجة الحرارة وبخار الماء وسرعة الرياح واتجاهها. ويجري بعد ذلك إدخال هذه المتغيرات في نماذج محاكاة تنتج متغيرات التلوث التي تستخدم في نهاية المطاف في إنتاج تنبؤات بالإشعاع الشمسي.
وتنتج هذه النماذج مجموعات بيانات هائلة، ولكنها يجب أن تنجز ذلك بسرعة فائقة أيضاً، فضلاً عن أن إنتاجها يستلزم اللجوء إلى موارد الحوسبة الفائقة في كاوست.
ويذكر أن مناقشة المشروع المشترك بين كاوست ومدينة الملك عبدالله للطاقة الذرية والمتجددة بدأت في وقت سابق من السنوات القليلة الماضية. وبعد الإحاطة بأهداف المشروع، أسهمت قيادة كاوست بالحاسوب الخارق شاهين 2، طراز (Cray XC40) وعلماء الحوسبة في الجامعة، إضافة إلى التدريب والاستشارات بشأن تنصيب وإعداد نماذج التنبؤ، وساعدت في تحسين سير العمل في إدارة قابلية توسع النظام بصورة أكبر.
وحول مساهمة كاوست في هذا المشروع، أوضح جاستين مينار نائب الرئيس المشارك في كاوست لشؤون الأبحاث، والمدير التنفيذي لمختبرات كاوست الأساسية أن المختبرات الأساسية في كاوست تمتاز بمرافق وخبرات متطورة عالمية المستوى، وأضاف: أعتقد أننا يجب أن نسعى إلى المزيد من استثمار شاهين، باعتباره أحد الأصول الوطنية، في تلبية متطلبات سائر المؤسسات في المملكة.
تنطوي الاتفاقية على هدفين؛ أحدهما قصير الأجل والآخر طويل الأجل. ويركز الهدف قصير الأجل على محاكاة وأرشفة ظروف الطقس والغلاف الجوي. ويتمثل الهدف طويل الأجل في تقديم تنبؤات يومية عن ظروف الطقس والغلاف الجوي (الغبار وتلوث الهواء) فوق شبه الجزيرة العربية. وقال حسين شبلي الرئيس المساعد لقطاع الطاقة المتجددة في مدينة الملك عبدالله للطاقة الذرية والمتجددة: نعترف بجهود المختبر الرئيسي للحوسبة الفائقة في كاوست ودوره في استثمار موارد حاسوب شاهين في تلبية احتياجاتنا. لقد كان شاهين أداة أساسية جداً في دعم وتعزيز أبحاث ومشاريع الطاقة المتجددة.
التنبؤ بالإشعاع الشمسي في السعودية
كاوستتفتح حاسوبها الخارق «شاهين» أمام المؤسسات
يبدو أن القدرة على تتبع تغيرات ضئيلة، لكنها ذات أهمية كبيرة، في نطاق هائل من الأنظمة بدءاً من جسم الإنسان إلى أراضي الدولة وغير ذلك، أصبح أمراً لا حد له، وذلك بفضل مجموعة ناشئة من الأجهزة المستحدثة صغيرة الحجم ذاتية الشحن والموصَّلة معاً لا سلكياً. وفي هذا الإطار، سعت مجموعة كبيرة من الخبراء ضمن مبادرة وحدات الاستشعار في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) لابتكار حلول لبعض العقبات الأكثر صعوبة وتحدياً في تقنية الاستشعار، إذ يعمل هؤلاء الخبراء، بدءاً من علماء البحار إلى مهندسي الكهرباء، معاً على إحداث تحوِّل في ذلك الالتقاء المثير بين الأجهزة الصغيرة المتصلة ببعضها البعض والعالم من حولنا.
وتعد شعبية الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء -كساعات «أبل» أو «فيتبيت»- شاهداً على مستقبل الاتصال الرقمي فيما يتعلق بأنظمة الرعاية الصحية، فالوصول الفوري لقياسات تتعلق مثلاً بالحركة أو سرعة ضربات القلب، يمكن أن يساعد المستخدمين على التخلّص من العادات السيئة وتحسين مستوى لياقتهم البدنية، ومن بين الأجهزة الأخرى التي يمكن أن تُرتدى في مجال الرعاية الصحية حالياً، ضمادةٌ تُبلغ عن حالة الجروح المزمنة، أو رقعة مغلفة بالبوليمر ترصد حالة الدماغ.
كما تكشف القدرة على رصد محيطنا أيضاً، إمكانات جديدة فيما يتعلق بحماية البيئة والمجتمع.
على سبيل المثال، يمكن لجهاز استشعار -قادر على رصد الفيضان أو الحريق والتحذير منها- أن ينقذ أرواحاً، ويمكن لآخر -بمقدوره تتبع الحيوانات- أن يسهم في تحقيق إدارة أفضل للنظام البيئي، كما يستطيع جهاز استشعار ثالث -بإمكانه قراءة حالة النبات- أن يعزِّز الزراعة المستدامة.
وسعياً للاستفادة من الفرص المتاحة بسوق المستشعرات في المجالات الطبية والبيئية، تعقد كاوست اجتماعاً سنوياً لعلماء الأحياء، والمهندسين، والكيميائيين لمناقشة تطورات التكنولوجيا. ومنذ عام 2015.. أثمرت تلك الاجتماعات تعاوناً طموحاً يهدف إلى تحسين العلوم التي تستند إليها الأجيال الجديدة من أجهزة الاستشعار، والاستفادة العملية منها من خلال استغلالها على نطاق تجاري.
يوضِّح البروفيسور خالد سلامة أستاذ الهندسة الكهربية ومدير مبادرة أجهزة الاستشعار، أن أهم ما يميِّز كاوست هو مواردها البشرية، ومرافق المختبرات المميزة التي تدعم تكنولوجيا الاستشعار الابتكارية، مشيراً إلى أنه مع التدفق الهائل للبيانات القادمة من مئات المليارات من المستشعرات بمدننا وسياراتنا ومنازلنا ومكاتبنا، أصبحنا بحاجة إلى تكنولوجيا تعلم الآلة، كي تساعدنا على فهم البيانات، كما نحتاج أيضاً إلى القدرة الحاسوبية الفائقة لإدارتها، وإلى الخبرة البشرية للتأكد من أن الآلات تؤدي كل هذا على نحو فعال. وبحسب سلامة فإن نقطة قوة كاوست في هذا المجال تتمثل في امتلاك المواد التي يمكن لخبرائنا استخدامها لابتكار مستشعرات ذات مكونات تحويلية، يمكن تغييرها والاستعاضة عنها بأخرى مخصصة لتطبيقات حيوية أو بيئية مختلفة. وحول مجال التطبيقات التي يعمل عليها باحثو كاوست، يوضح سلامة: لسنا مقيّدين بتطبيق محدد، وكل ابتكار جديد يمنحنا فرصة للإجابة عن بعض الأسئلة العلمية الجوهرية على طول الطريق. فمثلاً نعمل على مستشعرات يمكن لصقها ببشرتك، لرصد علاماتك الحيوية عبر التغيرات التي تحدث بعَرَقك، بينما يمكن وضع مستشعرات أخرى بالمنشآت البترولية لرصد الغازات الخطرة.
تنشر كاوست تلك المستشعرات الدقيقة عبر أرجاء حرم الجامعة، لتقديم نموذج لمدن المستقبل الذكية التي يمكنها -باستمرار- رصد مستوى جودة الهواء أو تقديم المساعدة الملاحية للسيارات ذاتية القيادة.
أحد التطبيقات التي يعمل عليها فريق من الباحثين هي تطوير تقنية جديدة تعرف بالمكثفات المجهرية الفائقة -بطاريات الجيل القادم- بهدف التغلب على التحديات المتعلقة بتخزين الطاقة. ويعمل على تطوير هذه التقنية البروفيسور حسام الشريف أستاذ علوم المواد في كاوست وعدد من المتعاونين الدوليين، الذي يشرح ذلك: إذا كانت لديك مستشعرات تحتوي على بطاريات عادية، فإنها قد تدوم لألف دورة، لكن علينا زيادة عمر البطاريات ملايين المرات. تمكَّن الفريق من تحويل نوع من المعدن يدعى أكسيد الروثينيوم إلى قطب كهربي رقيق يمكنه حمل كميات هائلة من الشحنة الكهربائية وإطلاقها سريعاً عند الطلب، من خلال عملية ترسيب فراغي خاصة.
ويضيف: عادة لا يحتفظ أكسيد الروثينيوم بالشحنة على نحو جيد، لأن بنيته المجهرية بها الكثير من جزيئات الماء، لكن عملية الترسيب الفراغي التي نقوم بها تزيد كثافة الأقطاب الكهربية في المعدن عما هي عليه في الأقطاب العادية، بحيث يتم تقليل جزيئات الماء مما يخلق مساحة أكبر لتخزين الطاقة. ولكن حتى المكثفات الفائقة لا تمتلك حصانة ضد نفاد الطاقة، وبالتالي فإنه لتطوير وحدات استشعار مستقلة بحق، كان على باحثي كاوست دمج وحدات تجميع الطاقة في رقائقهم الإلكترونية. يمكن لتلك الوحدات أن تشتمل على هوائيات خاصة تلتقط موجات الراديو الشاردة، وتحوِّلها إلى شحنة كهربية.
مستشعرات كاوست تحفز الجيل القادم وتسهم في تنويع اقتصاد المملكة
يؤمن البروفيسور محمد حسين إيماناً قوياً بأهمية عنصر الوفرة في سوق المستشعرات، وهو يصرّ على أن المستشعرات الخاصة به لا تقدم حلولاً للمشكلات اليومية فحسب، ولكنها أيضاً متاحة بأسعار مناسبة للجميع، ومع ذلك، لا يتخلّى عن الإبداع من أجل الإبقاء على التكلفة منخفضة.
المستشعرات النباتية التي يعمل على تطويرها البروفيسور حسين مرنة وغير مكلِّفة، ويراوح قطرها بين 1 و20 مم. وعند وضعها على ورقة نبات، تستطيع الكشف عن درجة الحرارة والرطوبة والنمو، وتوفير بيانات يمكن استخدامها لمساعدة المزارعين على الزراعة الذكية التي تُقلل استهلاك المخصبات وتحدّ من إهدار المياه.
يُخبرنا حسين أن ما يميِّز تلك المستشعرات على نحو خاص هو شكل الفراشة الذي تتخذه، وعندما سُئل عن سبب اختياره لهذا الشكل، أوضح أن الفراشات جميلة وطبيعية في البيئة النباتية، وتسمح أجنحتها الكبيرة بدمج مستشعرات مختلفة متعدّدة، وهو شيء له فائدة خاصة بالنسبة إلى شريحة الذكاء الاصطناعي التي نُدمجها في النظام حالياً. وفي نهاية المطاف، نحن نسعى إلى ابتكار نظام تفاعلي متكامل يُمكِّن الفراشة من توصيل العناصر الغذائية للنبات أو جمع المزيد من البيانات عنه.
الضمادة الذكية واحدة من أجهزة الاستشعار المتقدّمة التي تعكف مجموعة الدكتور عاطف شميم ببرنامج الهندسة الكهربية على تطويرها في كاوست. وتستخدم وحدات الاستشعار في هذه الضمادة محوِّلات قائمة على الكربون للاتصال المباشر بالجروح المزمنة، ورصد علامات العدوى، استناداً إلى القياسات التي تشمل مستويات الحموضة. ويعمل الفريق حالياً على توسيع نطاق التقنية بتطوير أجهزة يمكن أن يرتديها الجنود، لترصد -على نحو متواصل- مستويات تشبع الدم بالأكسجين، تحسباً لأي زيادات مفاجئة في درجة التشبع بما يدل على حدوث نزيف.
يشير شميم إلى أن الاتصال اللاسلكي شيء ضروري إذا ما أردنا دمج المستشعرات والمكونات الأخرى لإنترنت الأشياء، لتصبح جزءاً من الأشياء التي نستخدمها في حياتنا اليومية. كان فريقه رائداً في مجال استخدام شبكات راديو البلوتوث منخفضة الطاقة، للمساعدة على توصيل الأجهزة الذكية ببعضها، وكذلك بخوادم الشبكة.
ويوضح شميم أنه ورغم أن إنترنت الأشياء يتعلّق بأجسام غير حيّة، فإن عليه اتخاذ قرارات من أجلك. لذا فهو بحاجة إلى الإحساس والتواصل. وإنترنت الأشياء هو مصطلح برز حديثاً، ويقصد به الجيل الجديد من الإنترنت الذي يتيج التفاهم بين الأجهزة المترابطة مع بعضها البعض.
يعمل الدكتور شميم أيضاً وبالشراكة مع باحثين آخرين من كاوست، من بينهم الدكتور يورجن كوسيل، المتخصص في استخدام الخاصية المغناطيسية في نشاطه الخاص بالاستشعار، بهدف تتبع سلوك الكائنات التي تعيش في البحر الأحمر.
استطاع الفريق ابتكار ملصقات تحتوي على مستشعر موضعي ذاتي الشحن متّصل عن طريق البلوتوث، تتسم بكونها صغيرة بما يكفي للصاقها بسرطانات البحر، والسلاحف، والمحارات الملزمية العملاقة التي تعيش في البحر الأحمر.
ويسعى كوسيل ومجموعته إلى مواجهة التحدي الأساسي المرتبط بتتبع الكائنات البحرية عن بُعد، وهذا التحدي يتمثل في ميل الماء إلى تشتيت موجات الراديو المستخدمة في معظم مستشعرات تحديد الموقع الجغرافي، ومن خلال التعاون مع مُنشأة المختبر الأساسي للتصنيع النانوي في كاوست، بهدف تصنيع هياكل أغشية رقيقة، ابتكر الفريق مستشعرات مرنة تكشف عن موقعها الجغرافي باستخدام إشارات مغناطيسية تستطيع الولوج بسهولة إلى البيئات تحت سطح الماء.
يوضح كوسيل المجالات المغناطيسية تستطيع اختراق العديد من المواد دون التأثير عليها، بما في ذلك البشر والحيوانات الأخرى، وقد أثبتنا أنك تستطيع معرفة حتى كمية الطاقة التي يستهلكها حيوان بحري باستخدام المستشعرات المغناطيسية التي ترصد تدفق المياه.
يؤمن البروفيسور جان فريشيه كبير نواب رئيس الجامعة لشؤون الأبحاث، بأن الإمكانات كبيرة في هذا المجال، ويضيف: قمنا ببناء جسور عبر تخصصات شتى من خلال الجمع بين باحثين من كاوست ومؤسسات أخرى، بفضل خبراتنا ومواردنا. هم يلهمون بعضهم للتغلب على تحدِّيات شديدة التنوّع، كبقاء الكائنات البحرية على قيد الحياة واتصالات القرن الواحد والعشرين واستغلال البيانات الضخمة. ستحفِّز مبادرة مستشعرات كاوست الجيل القادم، وتُسهم في تنويع اقتصاد البلاد، إذ نعمل على تصميم مستشعرات تعمل على جمع البيانات التي نحتاج إليها، لمواجهة التحديات العالمية.