تولید برق از چرخش زمین؛ ادعایی جنجالی که دانشمندان درباره آن اختلاف نظر دارند

کریستوفر چیبا، فیزیکدان در دانشگاه پرینستون حدود ۱۰ سال پیش زمانی که درحال تحقیق درباره مکانیسم گرمایی احتمالی در اقماری بود که از میدان مغناطیسی سیاره‌شان عبور می‌کردند، ایده‌ تولید برق با استفاده از میدان مغناطیسی زمین به ذهنش خطور کرد.

اکنون چیبا و همکارانش دستگاهی ساخته‌اند که ادعا می‌شود مقدار بسیار کمی ولتاژ (۱۸ میکروولت) تولید کرده است. این مقدار ولتاژ کمتر از ولتاژی است که هنگام فعال‌شدن سلول عصبی در بدن انسان آزاد می‌شود. به همین دلیل، اثبات اینکه این ولتاژ واقعاً ناشی از چرخش زمین در میدان مغناطیسی است و نه عامل دیگر، بسیار دشوار است. اگر این پدیده واقعاً وجود داشته باشد و بتوان برپایه‌ی آن دستگاهی در ابعاد بزرگ‌تر ساخت، می‌توان بدون انتشار گازهای آلاینده برق تولید کرد. 

پل توماس، فیزیکدان بازنشسته دانشگاه ویسکانسین ایوکلیر می‌گوید ایده مطرح‌شده برای تولید برق از چرخش زمین، در نگاه نخست غیرمنتظره به‌نظر می‌آید، اما این بحث از زمان مایکل فارادی (فیزیکدان مشهور قرن نوزدهم) وجود داشته است. او می‌گوید طراحی آزمایش‌های کریستوفر چیبا از دانشگاه پرینستون بسیار دقیق و درست انجام شده است.

در شرایط معمولی، حرکت الکترون‌ها باعث ایجاد جریان نمی‌شود، چون در میدان مغناطیسی یکنواخت (مثل میدان مغناطیسی زمین)، زمانی که الکترون‌ها تحت فشار قرار می‌گیرند، خود را بازآرایی می‌کنند تا نیروی الکتریکی مخالفی ایجاد کنند که درنهایت باعث ثابت ماندن بارها می‌شود. برای مثال، در آزمایشگاهی در پرینستون، الکترون‌ها در جسم فلزی با سرعت ۳۵۰ متر بر ثانیه از میدان مغناطیسی محلی عبور می‌کنند که شدت آن ۴۵ میکروتسلا است. عبور الکترون‌ها نیرویی معادل حدود ۱۰ میلی‌نیوتن به ازای هر کولن بار الکتریکی ایجاد می‌کند.

الکترون‌ها به سرعت در سطح فلز به‌گونه‌ای بازآرایی می‌شوند که میدان الکتریکی ایجاد کنند که مقدار آن ۱۰ میلی‌ولت بر متر است. این میدان الکتریکی نیروی مغناطیسی را که به الکترون‌ها وارد می‌شود، خنثی می‌کند. به عبارت دیگر، اثر مغناطیسی بر الکترون‌ها خنثی می‌شود و جریان الکتریکی تولید نمی‌شود. چیبا متوجه شد که ممکن است در شرایط خاصی، الکترون‌ها نتوانند به شکلی آرایش پیدا کنند که نیروی مغناطیسی وارد شده را خنثی کنند.

در سال ۲۰۱۶، چیبا و کوین هَند از آزمایشگاه پیشرانش جت در کالیفرنیا همین ایده را مطرح کردند. پس از پیشنهاد چیبا و کوین هند، نقدهایی بر ایده آن‌ها برپایه‌ی استدلال‌های نظری و آزمایش‌های تجربی وارد شد. چیبا و هند با ارائه نظریه‌های بیشتر از پیشنهاد خود دفاع کردند، اما می‌دانستند برای اثبات آن به آزمایش عملی نیاز دارند.

پژوهشگران برای اثبات نظریه‌ خود استوانه‌ای توخالی از جنس آهن-منگنز-روی با طول ۳۰ سانتی‌متر و عرض ۲ سانتی‌متر ساختند. استوانه هم به‌عنوان محافظ دربرابر میدان مغناطیسی عمل می‌کند و هم رسانای ضعیفی است. این دو ویژگی به استوانه اجازه می‌دهند که وقتی به درستی در میدان مغناطیسی زمین قرار بگیرد، ولتاژ کوچکی روی آن ایجاد شود.

پژوهشگران استوانه را به گونه‌ای در جهت شمال-جنوب قرار دادند که با سطح زمین زاویه‌ی ۵۷ درجه داشته باشد. آن‌ها استوانه را طوری قرار دادند که عمود بر میدان مغناطیسی زمین و جهت چرخش زمین باشد. طبق پیش‌بینی آن‌ها این موقعیت بیشترین ولتاژ را تولید خواهد کرد.

محققان یک الکترود در هر یک از دو سر استوانه قرار دادند و ولتاژ را اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ولتاژ را در دو موقعیت دیگر نیز اندازه‌گیری کردند: زمانی که استوانه را ۹۰ درجه چرخاندند (در این حالت ولتاژ صفر بود) و زمانی که استوانه را ۱۸۰ درجه چرخاندند (در این حالت جهت ولتاژ معکوس بود).

نتایج آزمایش‌ها پیش‌بینی‌های محققان را تأیید کرد. آن‌ها ولتاژ بسیار کوچکی به اندازه ۱۸ میکروولت مشاهده کردند که بسته به جهت قرارگیری دستگاه نسبت‌به میدان مغناطیسی زمین تغییر می‌کرد. وقتی از قطعه جامد رسانا استفاده کردند (نه لوله توخالی) ولتاژ صفر بود.

استوانه‌ خود به طور فیزیکی حرکت نمی‌کند (حداقل در آزمایشگاه)، اما چون با چرخش زمین همراه است، از میدان مغناطیسی زمین عبور می‌کند و تحت‌تأثیر آن قرار می‌گیرد. به عبارت دیگر، استوانه حین چرخش زمین به‌طور غیرمستقیم از میدان مغناطیسی عبور می‌کند.

چیبا و همکارانش گزارش داده‌اند که وقتی استوانه را عمود بر میدان مغناطیسی زمین نگه می‌دارند، ۱۸ میکروولت انرژی تولید می‌شود و محاسبات آن‌ها نشان می‌دهد از انرژی چرخش زمین تأمین می‌شود. استوانه روی سطحی شیبدار قرار گرفته است؛ به طوری که هم بر میدان مغناطیسی زمین و هم بر جهت حرکت چرخشی زمین عمود است.

در این آزمایش‌ها، حسگرها ولتاژ بین دو انتهای استوانه را اندازه‌گیری کردند. آزمایش‌ها در تاریکی انجام شد تا از تأثیر نور (که می‌تواند باعث ایجاد سیگنال‌های نادرست به دلیل اثر فوتوالکتریک شود) ممانعت شود. اثر فوتوالکتریک زمانی اتفاق می‌افتد که نور به سطح فلز برخورد می‌کند و باعث حرکت الکترون‌ها می‌شود.

در تجزیه‌وتحلیل داده‌ها، تیم با پدیده‌ی وابسته به دمایی به نام اثر سیبک (Seebeck effect) مواجه شد. این پدیده باعث می‌شود وقتی انتهای ماده‌ای گرم‌تر از انتهای دیگر آن باشد، ولتاژ کوچکی ایجاد شود. محققان دریافتند اثر سیبک می‌تواند بخشی از ولتاژ اندازه‌گیری شده را توضیح دهد. اما آن‌ها نشان دادند سیگنال ۱۸  میکروولتی نیز وجود دارد که به جهت‌گیری استوانه بستگی دارد.

برخی کارشناسان درمورد نتایج تردید دارند. برای مثال، رینکه وین‌خاردن، فیزیکدان بازنشسته که پیش‌تر در دانشگاه آزاد آمستردام کار می‌کرد، در آزمایش‌های خود در سال ۲۰۱۸ نتوانست اثر موردنظر را مشاهده کند. او معتقد است نظریه‌ی کریستوفر چیبا و همکارانش درست نیست.

وین‌خاردن می‌گوید ولتاژهای مشاهده‌شده آن‌قدر کوچک هستند که ممکن است دلایل زیادی برای ایجاد آن‌ها وجود داشته باشد. با‌این‌حال، او اشاره می‌کند که تیم چیبا تمام تلاش خود را کرده است از اثرات دیگری که می‌توانند مشابه پدیده پیش‌بینی‌شده آن‌ها به‌نظر برسند (مثل تغییرات دما) جلوگیری کند.

چیبا معتقد است گام بعدی این است که گروه پژوهشی مستقلی نتایج به دست‌آمده را تکرار کند. او فکر می‌کند اگر نتایج تأیید شوند، این سیستم می‌تواند به گونه‌ای اصلاح شود که بازده تولید انرژی آن افزایش یابد. او تصور می‌کند که می‌توان چندین قطعه کوچک استوانه‌ای را به صورت سری به هم وصل کرد تا ولتاژ کافی تولید شود.

نویسندگان یافته‌های خود را در مجله‌ی Physical Review Research منتشر کرده‌اند.