الصوبات الحرارية الجوفية والشمسية ذات التصميم السلبي: تقليل انبعاثات الكربون في الزراعة

الوفرة غير المستدامة

من وسائل الراحة في الحياة الحديثة إمكان شراء المنتجات الطازجة من المتجر طوال العام. فقد يكون الخارج متجمداً ومغطى بالثلج، ومع ذلك نجد الطماطم والخس والفواكه الطازجة. يستعرض هذا المقال تقنيات الصوبات وأمثلتها من منظور عام 2023.

لكن الإنتاج والنقل قد يرتبطان بـانبعاثات كربونية كبيرة. تُنقل الواردات بالسفن والطرق البرية، وتُنقل بعض المنتجات سريعة التلف جواً. وتستخدم بعض الصوبات الغاز الطبيعي أو البروبان للتدفئة. وتتوقف البصمة الكربونية على طريقة الإنتاج والنقل معاً.

أحد الخيارات هو الاعتماد أكثر على الأغذية الموسمية والمحفوظة. ففي المناطق الباردة، اعتمدت الأجيال السابقة شتاءً على البصل والبطاطا والجزر والجبن والمخللات واللحوم المملحة أو المدخنة. لكن كثيراً من المستهلكين يفضلون تنوع المنتجات المتاح اليوم.

لحسن الحظ، تصاميم جديدة للصوبات تعتمد على استخدام أذكى للطاقة من كل من الأرض والشمس يمكن أن تساعد في تقليل الحاجة إلى الوقود الأحفوري لزراعة إمدادات الطعام الشتوية.

الصوبات الشمسية ذات التصميم السلبي

تسمح الصوبات بدخول أشعة الشمس، وتحمي النباتات من الرياح، وتقلل فقد الحرارة. وهذا يطيل موسم الزراعة ويوفر درجات حرارة أنسب للنمو. وهي مفيدة للطماطم والفلفل في المناطق الباردة من الولايات المتحدة وكندا وأوروبا، لكنها ليست ضرورية لكل محصول وموسم وموقع.

تسخين الصوبة بواسطة الإشعاع الشمسي – المصدر: Hydroponics simplified

يطوّر التصميم السلبي هذا المبدأ عبر تقليل فقد الحرارة وتحسين الاستفادة منها.

الكتلة الحرارية

تتمثل إحدى الأفكار في زيادة القصور الحراري للنظام. فحتى الصقيع القصير قد يقتل نباتات حساسة كالطماطم. وتخزن الكتلة الحرارية الحرارة وتطلقها لاحقاً، فتخفض قمم الحرارة نهاراً وترفع الحدود الدنيا ليلاً.

في نصف الكرة الشمالي يمكن بناء الجدار الشمالي بالطوب أو الحجر بدلاً من الزجاج أو البلاستيك. يمتص الجدار الحرارة نهاراً ويطلقها داخل الصوبة ليلاً، مما يقلل خطر التجمد. ويجب تكييف اتجاه التصميم مع نصف الكرة وخط العرض.

تم نشر هذا التصميم على نطاق واسع في الصين وهو الآن يُدرَس في الأدبيات العلمية.

الصوبات الشمسية الصينية ذات التصميم السلبي — المصدر: Research Gate

يمكن وضع طبقة عزل، مثل البوليسترين، خارج الجدار للحد من تسرب الحرارة المخزنة إلى الخارج.

يمكن أيضاً استخدام براميل مملوءة بالماء ككتلة لتخزين الحرارة. وقد تساعد الأحجار المحيطة بالنباتات والأرضية الحجرية أو الخرسانية. وتعتمد الفائدة على الترتيب، مع مراعاة المساحة الزراعية التي تشغلها هذه العناصر.

تقليل الفاقد

يساعد خفض فقد الحرارة ليلاً أيضاً. ففي الصوبات الشمسية الصينية يُفرد غطاء عازل فوق السطح الشفاف كل ليلة، يدوياً أو باستخدام آليات تلقائية.

المصدر: Research Gate

تظل التهوية والتظليل وضبط الرطوبة مهمة. ويمكن للتصميم في الظروف المناسبة تقليل التدفئة بالوقود الأحفوري كثيراً أو الاستغناء عنها، لكن ذلك لا يتحقق في كل مناخ دون حرارة إضافية. وقد أسهم انتشاره في إمدادات الخضروات الصينية.

المصدر: Research Gate

الصوبات الحرارية الجوفية

درجات حرارة التربة

يمكن للتصميم السلبي خفض استهلاك الوقود، لكن الطاقة الشمسية قد لا تكفي في الشتاء شديد البرودة أو كثير السحب والثلوج. وقد يلزم حينئذ مصدر حرارة إضافي أو اختيار محاصيل مختلفة.

تُستخدم مضخات الحرارة الأرضية بالفعل لتدفئة المباني. وتستفيد الأنابيب المدفونة من درجات حرارة أقل تقلباً من الهواء الخارجي. وتحتاج المضخة إلى الكهرباء لنقل الحرارة من أجل التدفئة أو التبريد.

المصدر: energy.gov

تكون التربة في كثير من المناطق أدفأ من الهواء شتاءً وأبرد منه صيفاً، مما قد يحسن الكفاءة مقارنة بمضخة تستمد الحرارة من الهواء في البرد الشديد. لكن حرارة التربة ليست ثابتة تماماً أو فوق التجمد في كل مكان؛ إذ تتأثر بالعمق والموقع والموسم وخصائص التربة.

تصميم حراري جوفي مبسط

يمكن لبعض الصوبات الصغيرة جيدة العزل وذات درجة الحرارة المستهدفة المنخفضة استخدام تبادل مباشر للحرارة مع التربة دون مضخة حرارة. ولا ينطبق ذلك على جميع الصوبات.

قد يكفي لبعض المحاصيل المتحملة للبرد تجنب التجمد ليلاً والاستفادة من حرارة الشمس نهاراً. وتختلف متطلبات الحرارة والضوء باختلاف المحصول والهدف الإنتاجي.

تدفع مروحة هواء الصوبة عبر أنابيب مدفونة ليتبادل الحرارة مع التربة ثم يعود إلى الداخل. ويمكن للنظام أيضاً تخزين حرارة الشمس في الأرض. ويختلف هذا التبادل القريب من السطح عن استغلال المياه الساخنة أو الحرارة الجوفية العميقة.

ومن الأمثلة في المناطق ذات الشتاء البارد صوبة في نبراسكا تُزرع فيها الحمضيات والتين والعنب. وهي حالة لتصميم صغير ومعزول بعينه، وليست ضماناً للنتائج نفسها في جميع الصوبات.

البساطة جميلة

يمكن لهذه الأنظمة العمل باستهلاك منخفض نسبياً للطاقة. لكنها ليست سلبية بالكامل لأن المراوح تحتاج إلى الكهرباء. ويتوقف التوفير مقارنة بوسائل التدفئة الأخرى على المناخ والعزل والحجم ودرجة الحرارة المطلوبة.

رغم بساطة التقنية نسبياً، يجب التخطيط للحفر والصرف والأنابيب والقدرة اللازمة بصورة مناسبة. ولا يمكن ضمان أن ينفذها شخص واحد أو أنها ستعمل عقوداً بلا صيانة.

يمكن للتربة الأبرد صيفاً امتصاص الحرارة من هواء الصوبة، مما قد يحسن ظروف نمو النباتات ويساعد على تقليل استهلاك الماء بحسب الموقع والتصميم.

تدفئة حرارية جوفية أخرى

يمكن للتبادل المباشر بين الأرض والهواء إطالة موسم الزراعة. وقد تتطلب الإنتاجية المرتفعة طوال العام مضخة حرارة أو مصدراً أقوى للحرارة.

من الخيارات الينابيع الساخنة والآبار الحرارية بدرجات تقارب 60–150 درجة مئوية، أي 140–300 درجة فهرنهايت. ولا تتوفر هذه الموارد في كل مكان. ووصف مرجع إرشادي زراعي عام 2019 عشرات الصوبات في جبال روكي وولايات الساحل الغربي الأمريكي التي تستخدم حرارة جوفية متوسطة الحرارة. وقد تلائم التدفئة الجوفية المباشرة أيضاً مواقع مناسبة في اليابان وكندا وتشيلي وغيرها.

الحفر العميق خيار آخر، لكن جدواه تعتمد على التكلفة والجيولوجيا. وكانت Eavor تطور عام 2023 تقنية لإنتاج الكهرباء والتدفئة المركزية معاً. ويتوقف استخدامها للصوبات على توفر الحرارة والمسافة والجدوى الاقتصادية.

الخلاصة

تدفئة الصوبات بالحرارة الجوفية ليست فكرة جديدة تماماً. ويمكن الجمع بين المبادلات الأرضية البسيطة والتصميم الشمسي السلبي، أو استخدام مضخات الحرارة والمياه الجوفية الساخنة.

يمكن لهذه التركيبات دعم إنتاج غذائي أكثر محلية وقدرة على الصمود وتقليل استخدام الوقود الأحفوري. وتتوقف الفوائد البيئية على التصميم ومصدر الطاقة.

لم يعثر البحث عند إعداد المقال الأصلي عام 2023 على شركة مدرجة متخصصة حصراً في هذه التصاميم. لكن شركات خاصة توفرها، ولا تعني بساطة التقنية غياب الملكية الفكرية؛ إذ تصف Ceres تصاميم وأنظمة حاصلة على براءات اختراع.

ومن أمثلة الموردين من الشركات الخاصة:

• Ceres Greenhouse Solutions (صوبات عالية الإنتاجية).
• SunCatcher (صوبات شمسية ذات تصميم سلبي).
• Atmos Greenhouse Systems (أنظمة تخزين حراري أرضي تُسمى «بطاريات مناخية»).

يساعد تقليل الاعتماد على الوقود على تعزيز القدرة على الصمود، كما أظهرت أزمة الطاقة التي أصابت إنتاج الصوبات الهولندية عام 2022. ذكر المقال الأصلي مساحة تقارب 24 ألف فدان أمريكي «أكر»، أي نحو 9,700 هكتار. وأورد تقرير عام 2022 استهلاكاً للطاقة قدره 106 بيتاجول في عام 2019، وحصصاً تاريخية من الإنتاج الأوروبي بلغت 21% للفلفل و20% للخيار و17% للطماطم. تشير هذه الأرقام إلى فترات ماضية مختلفة وليست إحصاءات سنوية حالية.

يمكن للأنظمة الموحدة وتحسين التصاميم خفض التكاليف وزيادة الكفاءة والموثوقية في المواقع المناسبة.