پیش‌گفتار
در جهان امروز، یکی از چالش‌های اصلی حرکت به سمت اقتصاد پاک، اعتماد به داده‌های انرژی تولید شده است: آیا واقعاً آنچه ادعا می‌شود تولید شده، تولید شده است؟ آیا داده‌ها قابل تغییر هستند؟ چگونه می‌توان حسابرسی شفاف و بی‌طرفانه داشت؟
پژوهش جدیدی توسط دکتر جواد واشقانی فراهانی (Jay Hani) ارائه شده که این چالش را با ترکیب بلاکچین، اینترنت اشیا و محاسبات لبه (Edge Computing) مورد خطاب قرار داده است. مقاله تحت عنوان
“A Sustainability Assessment of a Blockchain-Secured Solar Energy Logger for Edge IoT Environments”
در ژورنال بین‌المللی Sustainability منتشر شده است. آنچه در ادامه می‌آید، شرحی است از ساختار، نتایج، اهمیت و چشم‌اندازهای این تحقیق؛ متنی که هم تخصصی است، هم برای مخاطب عام قابل فهم.
چرا این پژوهش ضروری است؟
در سیستم‌های کنونی ثبت انرژی خورشیدی، داده‌ها به سرورهای مرکزی فرستاده می‌شوند یا در فضای ابری ذخیره می‌گردند. این مدل مشکلات متعددی دارد:
ممکن است داده‌ها دستکاری شوند یا حذف شوند؛
اگر ارتباط اینترنتی قطع شود، داده جدید ثبت نشود یا از بین برود؛
هزینه و مصرف انرژی و پهنای باند برای ارسال دائم داده به سرور بالا است؛
و مهم‌تر از همه، اعتماد عمومی و مقبولیت داده در میان ذی‌نفعان (سازمان‌های نظارتی، سرمایه‌گذاران، مصرف‌کنندگان) برقرار نیست.
پژوهش دکتر واشقانی فراهانی قصد دارد چنین چالش‌هایی را با روشی مبتکرانه حل کند: داده‌ها ابتدا محلی ثبت می‌شوند، سپس وقتی شرایط مناسب باشد، به صورت دسته‌ای و امن با استفاده از ساختار Merkle Tree و آنگاه ارسال می‌شوند به یک بلاکچین عمومی. این کار باعث می‌شود فشار بر ارتباطات کاهش یابد، هزینه و مصرف انرژی پایین بماند، و در عین حال شفافیت و ممیزی‌پذیری تضمین شود.
معماری فنی سامانه پیشنهادی
پژوهش بر یک معماری خوشه‌ای لبه‌ای با اتصال بلاکچین تمرکز دارد. در اینجا اجزای کلیدی را به ترتیب عملکرد توصیف می‌کنم:
حسگر و جمع‌آوری داده
دستگاه اصلی، یک Raspberry Pi 4B با ۴ گیگابایت رم است که وظیفه مدیریت سیستم را بر عهده دارد. یک حسگر INA219 به آن متصل است که هر دقیقه ولتاژ و جریان در مدار خورشیدی را اندازه می‌گیرد. این داده‌ها به صورت فایل CSV محلی ذخیره می‌شوند.
رمزنگاری و زنجیره‌ای کردن داده‌ها
برای اطمینان از این که هر رکورد نمی‌تواند تغییر یابد بدون شناسایی، هر داده بلافاصله با الگوریتم SHA-256 هش می‌شود و در ساختار هش زنجیره‌ای (chain hashing) ذخیره می‌شود. یعنی هر رکورد جدید شامل هش رکورد قبلی است و اگر یکی حذف یا تغییر یابد، تمام زنجیره زیر آن شکسته می‌شود.
دسته‌بندی و ارسال به بلاکچین
این سیستم از روش Merkle tree batching استفاده می‌کند: داده‌های محلی تا زمانی جمع می‌شوند که مجموع انرژی تولید شده از آخرین دسته، به یک آستانه (threshold) برسد (در نمونه آزمایشی این آستانه 0.001 وات‌ساعت تعیین شد). سپس از آن مجموعه داده‌ها، یک Merkle root ساخته می‌شود و همین ریشه بر روی بلاکچین اتریوم (در شبکه آزمایشی Sepolia) ثبت می‌شود.
در قرارداد هوشمند بلاکچین، اطلاعاتی مانند شناسه دستگاه، timestamp، مقدار انرژی تجمعی و هش دسته ذخیره می‌شود. علاوه بر این، امکان بازیابی دسته‌ها و بررسی کامل داده‌ها از طریق توابع read-only فراهم شده است.
مکانیزم پشتیبان و مقاومت در برابر قطعی
اگر ارتباط با بلاکچین برقرار نباشد، داده‌ها در یک صف انتظار ذخیره می‌شوند و هر بار که اتصال برقرار شود، ارسال مجدد تلاش می‌شود. همچنین مکانیزم «روزانه رول‌اور» (daily rollover) داده‌هایی که در پایان یک روز در صف مانده‌اند را منتقل می‌کند تا هیچ رکوردی از دست نرود.
اجرای آزمایشی و نتایج
پژوهش آزمایش را در یک بازه زمانی ۱۳۵ ساعت اجرا کرد؛ یعنی حدود ۵ روز و نیم. در طول این دوره، سیستم به طور مداوم و بدون شکست قابل توجه کار کرد. نکات کلیدی نتایج:
تعداد رکوردها: ۱۰،۲۶۸ رکورد انرژی به صورت دقیقه‌ای ثبت شده است.
تعداد دسته‌ها (Merkle batches): ۱۳۰ دسته به بلاکچین ارسال شدند.
در حالت معمول، هر دسته تقریباً یک دقیقه پس از ثبت آخرین رکورد ارسال شد.
هیچ داده‌ای از دست نرفت، هیچ دسته‌ای از لحاظ اعتبارسازی محلی یا روی بلاکچین رد نشد.
در مقابل تلاش دستکاری داده، اگر حتی یک رکورد حذف، اضافه یا تغییر داده شود، ابزار اعتبارسنجی محلی آن را شناسایی می‌کند چون Merkle root دیگر همخوانی ندارد.
در مصرف منابع هم عملکرد فوق‌العاده بود:
مصرف CPU بسیار پایین بود (کمتر از ۰.۰۲٪ در حالت عادی).
حافظه مصرفی حدود ۱۰۰ مگابایت باقی ماند.
دما دستگاه در طول فعالیت به بالاتر از ۴۳.۸ درجه نرفت.
استفاده از شبکه، تقریباً فقط هنگام ارسال دسته‌ها افزایش می‌یافت.
با وجود قطعی‌های موقتی اینترنت در بعضی دوره‌ها (۱۰۵ وضعیت قطع جزئی)، مکانیزم بازیابی اطلاعات به خوبی عمل کرد و تمام اطلاعات ارسال شدند.
ارزیابی اقتصادی و زیست‌محیطی
یکی از بخش‌های مهم مقاله، برآورد اثرات هزینه‌ای و انتشار کربن مرتبط با اجرای سیستم در سطح مقیاس ملی است (مطالعه موردی بر مبنای داده‌های اتریش).
هزینه معاملات بلاکچین
در آزمایش، متوسط مصرف گس (gas) برای هر دسته: ~۱۹۰,۸۲۳ واحد گس بود.
با توجه به قیمت گس و نرخ تبدیل اتریوم به یورو در زمان آزمایش، هزینه هر دسته تقریباً ۰.۹۹ یورو تعیین شد. برای ۱۳۰ دسته، هزینه کل حدود ۱۲۸ یورو بود.
در مدل ملی (با فرض ۲۵۰ هزار سیستم خورشیدی در اتریش)، برآورد شد که هزینه سالانه برای ثبت داده‌ها روی بلاکچین می‌تواند حدود ۳,۹۳۸,۶۰۸ یورو شود.
مصرف انرژی و انتشار CO₂
با فرض معیار CCRI (Crypto Carbon Ratings Institute) که ۶.۲۹۴ وات‌ساعت به ازای هر تراکنش را برای شبکه اتریوم پس از انتقال به PoS گزارش کرده، انرژی مصرفی برای کل دسته‌ها در آزمایش حدود ۰.۸۱۸ کیلووات‌ساعت بود. با استفاده از ضریب انتشار شبکه اتریش (۰.۲۰۹ کیلوگرم CO₂ به ازای هر کیلووات‌ساعت)، انتشار معادل ~۰.۱۷۱ کیلوگرم CO₂ برآورد شد.
در مقیاس ملی، با همان فرضات، انتشار کلی ممکن است به ۵۲۳۵ کیلوگرم CO₂ برسد. نکته کلیدی این است که نسبت هزینه انرژی و انتشار به تولید کلی انرژی فوتوشولار بسیار ناچیز است (در حدود ۰.۰۰۰۶۳٪) — یعنی بار زیست‌محیطی این فرآیند تقریباً بی‌اهمیت است نسبت به فواید شفافیت و ممیزی‌پذیری.
اهمیت این پژوهش برای ایران و منطقه خاورمیانه
با در نظر گرفتن شرایط اقلیمی و انرژی خورشیدی ایران، این تحقیق می‌تواند الهام‌بخش باشد:
ایران از تابش خورشید غنی برخوردار است، اما زیرساخت‌های سامانه‌ای و شفافیت داده انرژی هنوز جای پیشرفت دارد.
اجرای چنین سیستمی در ایران می‌تواند اعتماد سرمایه‌گذاران داخلی و خارجی را افزایش دهد.
شفافیت داده‌ها در قراردادهای انرژی خورشیدی می‌تواند فساد و قراردادهای نامشخص را کاهش دهد.
امکان ورود ایران به بازار بین‌المللی انرژی دیجیتال و تعامل با سازوکارهای بین‌المللی گواهی انرژی فراهم می‌شود.
در بلندمدت، ترکیب این سامانه با بازار انرژی هوشمند و شبکه‌های P2P می‌تواند مصرف و تولید انرژی را بهینه کند و هزینه‌ها را کاهش دهد.
همچنین، در سطح سیاست‌گذاری، این مدل می‌تواند به سازمان‌های دولتی کمک کند تا پروژه‌های انرژی را حسابرسی کنند، یارانه‌ها را هوشمند مدیریت کنند و برنامه‌های توسعه انرژی را بر پایه داده واقعی بنا کنند.
نقاط قوت و محدودیت‌ها
نقاط قوت
پیاده‌سازی سخت‌افزاری واقعی (نه فقط شبیه‌سازی) که نشان‌دهنده کارآمد بودن روش در شرایط واقعی است.
کاهش مصرف منابع و بار بر دستگاه لبه‌ای در کنار امنیت و شفافیت.
مقاومت در برابر قطعی شبکه یا اختلالات اتصال.
ارزیابی اقتصادی و زیست‌محیطی در مقیاس بزرگ، نه فقط مقیاس آزمایشگاهی.
محدودیت‌ها
آزمایش در شبکه آزمایشی (Sepolia) انجام شده و هزینه‌ها و تأخیرهای آن ممکن است با شرایط اصلی تفاوت داشته باشد.
دستگاه‌ها و حسگرهای خاصی استفاده شده‌اند؛ نتایج ممکن است با تجهیزات متفاوت تغییر کنند.
محاسبه انتشار انرژی به ازای هر تراکنش ممکن است ساده‌سازی شده باشد؛ مصرف واقعی بلاکچین پیچیده‌تر است.
مدل ملی بر پایه فرضیات ساده و میانگین‌ها است و در واقعیت تفاوت‌های منطقه‌ای، بافت شبکه و تنوع سخت‌افزاری ممکن است نتایج را تغییر دهد.
چشم‌انداز پژوهش‌های آینده و کاربردهای توسعه‌ای
پژوهش در مقاله به چند مسیر آتی اشاره کرده است:
گسترش به شبکه‌های اصلی بلاکچین (mainnet) و ارزیابی عملکرد واقعی در شرایط رقابتی.
بومی‌سازی آستانه‌های Merkle batching برای سیستم‌های متفاوت (انرژی‌های بزرگ‌تر یا کوچک‌تر).
طراحی قراردادهای هوشمند پیشرفته‌تر برای تسهیل معاملات انرژی، صدور گواهی انرژی تجدیدپذیر و تعامل با بازارهای P2P.
ارزیابی دقیق‌تر هزینه‌ها، انتشار و مصرف انرژی در دوره‌های بلندمدت و در کشورها با شبکه‌های متفاوت.
همسان‌سازی با استانداردهای بین‌المللی گزارشگری ESG و بازارهای جهانی انرژی پاک.
جمع‌بندی و تأمل آخر
پژوهش دکتر جواد واشقانی فراهانی ، افزون بر اینکه یک گام فناورانه حیاتی است، پیامی هم دارد: اعتماد نیاید از پیش مفروض باشد؛ باید رمزنگاری شود.
مدلی که او و تیمش طراحی کرده‌اند، نشان می‌دهد که می‌شود انرژی خورشیدی را به صورت شفاف، امن و قابل ممیزی ثبت کرد — بدون اینکه فشار زیاد بر دستگاه‌ها یا شبکه وارد شود.
برای ایران و کشورهای منطقه، این یک فرصت است. فرصتی برای تبدیل منابع خورشیدی به دارایی شفاف و قابل اعتماد، و فرصتی برای ورود به بازار انرژی دیجیتال جهانی با اعتبار علمی.
