دانشمندان راهی برای استخراج انرژی پاک از هوا کشف کردند

مهندسان اخیراً نشان داده‌اند که تقریباً از هر ماده‌ای می‌توان برای ساخت دستگاهی استفاده کرد که به‌صورت مداوم انرژی موجود در هوای مرطوب اطراف خود را جمع‌آوری کند.

به‌نقل از ساینس آلرت درحال‌حاضر این دستگاه برای کاربرد عملی آماده نیست؛ اما به‌گفته‌ی سازندگان آن، دستگاه جدید برخی از محدودیت‌های نمونه‌های قبلی را پشت‌سر گذاشته است. تنها مواد موردنیاز برای ساخت این دستگاه، نانوحفره‌هایی با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر هستند؛ یعنی تقریباً یک‌هزارم عرض یک تار موی انسان. در نتیجه شاید به‌نظر بیاید که گفتن از این وسیله ساده‌تر از ساخت آن باشد؛ اما در عمل ساده‌تر از حد انتظار است.

به‌نقل از تیم پژوهشی به سرپرستی مهندس شیائومنگ لیو از دانشگاه امهرست ماساچوست، چنین موادی می‌توانند الکتریسیته‌ی تولیدشده توسط قطرات آب میکروسکوپی در هوای مرطوب را جمع‌آوری کنند. پژوهشگران کشف خود را «اثر فراگیر ایرژن» نامیده‌اند.

مهندس جون یائو از دانشگاه امهرست ماساچوست در این‌باره می‌گوید: «هوا، حاوی مقادیر زیادی الکتریسیته است. به ابری فکر کنید که چیزی جز توده‌ای از قطرات آب نیست. هریک از این قطرات حاوی بار الکتریکی هستند و زمانی‌ که شرایط مناسب باشد، این ابر می‌تواند رعدوبرق تولید کند؛ اما ما نمی‌دانیم که چگونه برق این صاعقه را به‌ شکلی مطمئن جذب کنیم. کاری که انجام دادیم این بود که ابری انسان‌ساخت در اندازه‌ی کوچک ایجاد کنیم که به‌طور پیش‌بینی‌شده و پیوسته برایمان برق تولید کند تا بتوانیم آن را برداشت کنیم.»

اگر نام ایرژن آشنا به‌نظر می‌رسد، به این دلیل است که این تیم قبلاً هم یک برداشت‌کننده انرژی از هوا ساخته بود؛ البته دستگاه قبلی آن‌ها به نانوسیم‌های پروتئینی رشد‌یافته توسط نوعی باکتری به‌نام ژئوباکتر سولفوردیوسنز متکی بود. اما همان‌طور که یافته‌های جدید نشان داد، برای استخراج برق از هوا وجود این باکتری ضروری نیست.

یائو می‌گوید: «چیزی که ما پس از کشف ژئوباکتر متوجه شدیم این است که توانایی تولید الکتریسیته از هوا (اثر ایرژن) عمومیت دارد؛ به این معنی که هر نوع ماده‌ای تا زمانی‌ که ویژگی مشخصی داشته باشد می‌تواند از هوای اطراف الکتریسیته برداشت کند.»

آن ویژگی، نانوحفره‌ها هستند و اندازه‌شان به میانگین مسیر آزاد مولکول‌های آب در هوای مرطوب وابستگی دارد؛ یعنی همان مسافتی که یک مولکول آب می‌تواند قبل از برخورد با مولکول آب دیگر در هوا طی کند.

دستگاه فراگیر ایرژن، از لایه‌ی نازکی از موادی مانند سلولز، پروتئین ابریشم یا اکسید گرافن ساخته شده است. مولکول‌های آب موجود در هوا می‌توانند به‌راحتی وارد نانوحفره‌ها شوند و از بالای غشای نازک به سمت پایین حرکت کنند. بااین‌حال آن‌ها در حین حرکت، به طرفین منافذ می‌روند.

این جابه‌جایی مولکول‌ها با انتقال بار به ماده، تجمع ایجاد می‌کند و به‌دلیل حرکت مولکول‌های آب بیشتر به بالای غشاء، عدم تعادل بار بین دو طرف رخ می‌دهد. فرایند طی‌شده باعث ایجاد اثری می‌شود که در ابرهای تولید‌کننده رعدوبرق نیز رخ می‌دهد: بالاآمدن هوا، برخوردهای بیشتری را بین قطرات آب موجود در بالای ابر ایجاد می‌کند؛ در نتیجه بار مثبت بیش‌ازحد در ابرهای بالاتر و بار منفی بیش‌ازحد در ابرهای پایین‌تر ایجاد می‌شود.

انرژی تولیدشده در این فرایند می‌تواند به‌طور بالقوه به دستگاه‌های کوچک‌تر هدایت یا در نوعی باتری ذخیره شود.

این طرح فعلاً در مراحل اولیه‌ی خود قرار دارد؛ چراکه ولتاژ خروجی غشای سلولزی مورداستفاده توسط این تیم، ۲۶۰ میلی‌ولت بود. این در حالی است که یک تلفن همراه به ولتاژ خروجی ۵ ولت نیاز دارد. بااین‌حال نازک‌بودن لایه‌های سلولزی به این معنا است که می‌توان چندین لایه را روی هم قرار داد تا دستگاه در عمل کاربرد بیشتری داشته باشد.

به‌گفته‌ی محققان، اینکه لایه‌های به‌کاررفته را می‌توان از مواد مختلف ساخت به این معنی است که دستگاه‌ها می‌توانند با محیطی که قرار است در آن مورد استفاده قرار گیرند، به‌طور کامل سازگار شوند.

یائو در ارتباط با ایده‌ی ساخت این دستگاه می‌گوید: «این ایده ساده است؛ اما قبلاً هرگز کشف نشده و همین موضوع نیز آن را برای انواع احتمالات باز نگه می‌دارد. شما می‌توانید دستگاه‌هایی را تصور کنید که برخی از آن‌ها برای برداشت برق از محیط‌های بارانی و برخی دیگر برای استخراج برق از محیط‌های خشک و کویری ساخته شده‌اند.»

گام بعدی محققان، آزمایش‌ دستگاه‌های ساخته‌شده در محیط‌های مختلف و کار روی مقیاس‌گذاری آن‌ها خواهد بود؛ اما اثر فراگیر ایرژن کاملاً واقعی است و امکاناتی که نشان می‌دهد امیدوارکننده هستند. به‌عقیده‌ی لیو، این موضوع بسیار هیجان‌انگیز است و محققان با این کشف، دری عظیم به‌ روی برداشت انرژی پاک از هوای رقیق باز می‌کنند.

این مطالعه در نشریه‌ی Advanced Materials منتشر شده است.