التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة لتنبؤ محتوى الرطوبة في الكتلة الحيوية الخشبية المخلوطة بالتربة

لماذا تهم الرطوبة في وقود الخشب

مع سعي المجتمعات نحو طاقة أنظف، أصبحت رقائق الخشب وبقايا النباتات الأخرى مصادر وقود مهمة. لكن هناك عامل بسيط يمكن أن يصنع فارقًا في فائدتها: كمية الماء التي تحتويها. الرطوبة الزائدة تعني طاقة أقل، ومزيدًا من العفن، وحتى خطر الاحتراق الذاتي أثناء التخزين. وتزداد المشكلة عندما تختلط قطع من التربة بالخشب أثناء الحصاد. تستكشف هذه الدراسة ما إذا كانت طريقة معتمدة على الضوء تُعرف باسم التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) قادرة على قياس الرطوبة بسرعة في أكوام الكتلة الحيوية الملوثة بالتربة، كبديل أسرع للاختبارات البطيئة القائمة على الأفران.

من بقايا الغابات إلى عينات الاختبار

ركّز الباحثون على نوعين من الكتلة الحيوية يمثلان مصادر وقود شائعة. الأول هو بقايا القطع—فروع وقمم الأشجار المتبقية بعد القطع. هذه قطع خشبية كثيفة بجدران خلوية قوية وبنية مستقرة نسبيًا. أما النوع الآخر فهو السورغوم الحلو، عشبة طويلة ذات أنسجة مسامية أكثر ومحتوى سكري مرتفع. يتصرف السورغوم الحلو بشكل مختلف جدًا عند تعرضه للضوء، مما يجعله نموذجًا جيدًا للمحاصيل العشبية المستخدمة في الطاقة الحيوية. لمحاكاة الظروف الواقعية، جفف الفريق جميع العينات ثم أعاد ترطيبها في غرفة مناخية مضبوطة على درجات حرارة ومستويات رطوبة مختلفة، مما خلق نطاقًا واسعًا من محتويات الرطوبة يتراوح من حوالي 3٪ إلى 16٪.

إضافة تربة واقعية إلى الخلطة

في عمليات قطع الأشجار الفعلية، نادرًا ما تبقى الكتلة الحيوية نظيفة. تلتصق التربة بالفروع المجرورة على الأرض أو المخزنة في أكوام مفتوحة. لالتقاط هذه الواقعة، خلط العلماء بعناية تربة غابية مسيطَر عليها مع الكتلة الحيوية بستة مستويات: 0، 1، 5، 10، 20، و30٪ بالوزن. المستويات المنخفضة تشبه العمليات النظيفة؛ والمستويات العالية تمثل أكوامًا ملوثة بشدة. لكل تركيبة من نوع الكتلة الحيوية ومستوى التربة، شكّلوا "أقراصًا" متماسكة وموحدة في قالب. هذه الخطوة قللت تأثير كثافة التعبئة غير المنتظمة، التي قد تشوّه بدورها مسار الضوء عبر المادة وتربك قياسات الرطوبة.

إسقاط الضوء وتنقية الإشارة

بعد ذلك، قاس الفريق كيف تعكس العينات ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة عبر أطوال موجية من 870 إلى 2500 نانومتر. يمتص الماء داخل الكتلة الحيوية الضوء بقوة خاصة قرب أطوال موجية معينة، لذا يحمل نمط الانعكاس مؤشرات عن محتوى الرطوبة. ومع ذلك، تتسبب جزيئات التربة والأسطح غير المستوية في تشتت الضوء، مضيفة "ضجيجًا" إلى الإشارة. لمواجهة ذلك، طبّق الباحثون خطوتين لتنقية البيانات على الأطياف. الأولى، المسماة معيار التباين العادي (Standard Normal Variate - SNV)، تزيل الكثير من التباينات الناجمة عن التشتت والأسطح غير المنتظمة. والثانية، مرشح سافيتزكي-غولي من المرتبة الثانية (المشتق الثاني)، يوضّح القمم المتداخلة ويمهد القواعد المتغيرة. معًا، تجعل هاتان الخطوتان توقيعات الرطوبة الخفية بارزة بوضوح أكبر.

تحويل نمط الضوء إلى أرقام رطوبة

بوجود أطياف أنقى، استخدم الباحثون طريقة إحصائية معروفة باسم الانحدار بأصغر المربعات الجزئية (partial least squares regression) لربط أنماط الضوء بمحتويات الرطوبة الفعلية المقاسة بالجفاف في الفرن. وجدوا أنه بالنسبة لبقايا القطع، أعطت مجموعة SNV وسافيتزكي-غولي أفضل أداء، حيث تطابقت القيم المتوقعة عن قرب مع مستويات الرطوبة الحقيقية. أما السورغوم الحلو، ببنيته المعقدة وتركيبته الغنية بالسكريات، فكان أصعب في النمذجة لكنه مع ذلك أعطى نتائج دقيقة إلى حد معقول. والأهم من ذلك أن جودة النموذج بقيت مستقرة إلى حد كبير حتى مع زيادة محتوى التربة من 0 إلى 30٪، مما يدل على أن خطوات المعالجة المسبقة قللت بنجاح من التأثيرات المربكة للأوساخ. وعندما جُمعت البيانات حسب مستوى التربة المعروف، تحسنت الدقة أكثر، مما يوحي بأن إدراج معلومات عن التلوث يمكن أن يصقل التنبؤات.

ماذا يعني هذا لاستخدام الكتلة الحيوية في العالم الحقيقي

تُظهر الدراسة أن التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة، مع تنظيف بيانات ذكي، يمكنه تقدير الرطوبة في الكتلة الحيوية الخشبية الملوثة بالتربة بسرعة وبشكل غير مُتلف. بالنسبة للمشغّلين الذين يديرون بقايا الغابات أو محاصيل الطاقة، قد يعني ذلك فحص جودة الشحنات الواردة في ثوانٍ بدلاً من ساعات، مما يساعد على منع التلف، وتحسين كفاءة الاحتراق، وتقليل مخاطر السلامة. الطريقة ليست مثالية بعد: فقد واجهت صعوبة في تحديد مقدار التربة بدقة، وكانت الاختبارات مقتصرة على نوع تربة واحد وبيئة مخبرية. ومع ذلك، تشير النتائج إلى إمكانية تطوير أجهزة NIR محمولة أو متصلة عبر الإنترنت لرصد الرطوبة في الوقت الحقيقي عبر سلاسل إمداد الكتلة الحيوية، مما يجعل الوقود الصلب المتجدد أكثر موثوقية وكفاءة.

الاستشهاد: Batjargal, BU., Kang, M., Cho, Y. et al. Near-infrared spectroscopy for moisture content prediction in soil-mixed woody biomass. Sci Rep 16, 6096 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36901-8

الكلمات المفتاحية: التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة, رطوبة الكتلة الحيوية, بقايا خشبية, تلوث التربة, الطاقة الحيوية