آیا صفحات جذب انرژی خورشیدی را اشتباه نشانه رفته‌ایم؟!

این پرسشی بود که گروهی از مهندسان دانشگاه هاروارد در پی پاسخگویی و نظریه‌پردازی در خصوص آن بودند تا شاید بتوان روزی از انرژی آن به کمک سلول‌های فتوالکتریک بهره برد.

نکته‌ی کلیدی در این فناوری در صورت امکان‌پذیر بودن این است که این بار به جای استفاده از انرژی ورودی به زمین -یا همان انرژی خورشید به صورت مستقیم- از انرژی بازگشتی از زمین به عنوان منبع انرژی استفاده می‌شود.

Federico Capasso پروفسور فیزیک کاربردی که رهبری این پروژه را بر عهده دارد، تاکنون در حال بررسی داده‌هایی بوده که از نیم قرن پیش تا به حال به دست آمده است. به گفته‌ی او نور خوشید، انرژی زیادی را به همراه دارد که استفاده از سلول‌های خورشیدی را منطقی می‌کند؛ اما در مورد انرژی فروسرخ محیط قضیه به این سادگی‌ها هم نیست و می‌بایست ننشست و با محاسبات به‌صرفه‌بودن یا منطقی‌بودن پیگیری این ایده را به اثبات رساند.

این تیم تاکنون دو روش برای استخراج این انرژی در نظر گرفته اند؛ یکی استفاده از مولد‌های حرارتی معمولی و دیگری استفاده از سلولهای فتوولتاییک است که هر یک مزایای خود را دارند. مولد‌های گرمایی مورد استفاده از دو صفحه تشکیل شده‌اند که یکی گرمای زمین را جذب و دیگری که به سمت آسمان قرار گرفته و انرژی گرمایی را به سمت آسمان برگشت می‌دهد.

در مورد آزمایشی که از این مولد برای تولید انرژی استفاده شده بود، در طی روز و شب این مولد تنها چند وات بر متر مربع تولید انرژی داشت. مشکلاتی از قبیل خنک‌تر نگه‌داشتن سطح بالایی نسبت به دمای محیط نیز در این روش وجود داشت. با این وجود این آزمایش نشان داد که اصول اولیه قابل به کارگیری در عمل نیز هستند و با استفاده از اثر ترموالکتریک می‌توان با استفاده از دو سطح با دمای مختلف به تولید انرژی پرداخت.

دستگاه دومی که برای استخراج انرژی ساخته شد، قادر بود از تفاوت‌های دمایی بسیار کوچک تری انرژی الکتریکی تولید کند و می‌توانست از تفاوت دمایی بین دو جزء کوچک الکترونیکی همچون یک دیود و یک آنتن، به تولید انرژی الکتریکی بپردازد. پیش ازاین نیز در سال 1960 از این خاصیت برای جهت‌دهی نویزهای الکتریکی با استفاده از تفاوت دمایی استفاده شده بود.

نمودار Gunn در سال 1968 منتشر شده بود و در آن نشان داده شده بود که اگر یک دیود با دمای بالاتر از یک مقاومت در یک مدار کنار هم قرار بگیرند جریان به سمت جزء سردتر جهت‌گیری خواهد کرد. با استفاده از این ایده Capasso پیشنهاد داده بود که می‌توان با استفاده از یک آنتن کوچک که به سمت آسمان نشانه رفته است و نقش یک خنک‌کننده را دارد، جهت جریان را به سمت آن تغییر داد. نتیجه‌ی این اتفاق این بود که می‌توانستیم با تنها با استفاده از فرآیند تشعشع، به تولید جریان الکتریکی بپردازیم بدون اینکه نیاز به سرد کردن یک جسم بزرگ -برای ایجاد تفاوت دمایی زیاد- داشته باشیم.

با توجه به مقاله‌ای که در پیش از این در مجله‌ی Proceedings of the National Academy of Sciences به چاپ رسیده است یک ابزار تک و صفحه‌ای که به سمت آسمان قرار گرفته و بر روی مدار پوشش داده شده است، می‌توان به تولید انرژی پرداخت. با پیشرفت‌های اخیر در الکترونیک مقیاس کوچک یا به عبارتی نانوالکترونیک و اکتشاف موادی همچون گرافن و روش‌های ساخت میکرو و فناوری‌هایی از این قبیل، تیم هاروارد امیدوار است بتواند از انرژی نهفته در تفاوت‌های دمایی به خوبی بهره ببرد.

به مدت 50 سال است که تلاش‌های زیادی در زمینه‌ی ساخت دیود‌های فروسرخ بدون هیچ پیشرفت مشخصی ادامه دارد؛ اما پیشرفت‌های اخیر در زمینه‌ی نانوساختارها می‌تواند آن‌ها را به بهبود و ساخت در مقیاس انبود نزدیک‌تر کند. دیودهای فعلی در ولتاژهای پایین محدودیت عملکرد دارند. هر چه از توان بیشتری در یک تک مدار استفاده شود توانایی انجام کار نیز بیشتر می‌شود؛ بنابراین با توجه به ولتاژ پایینی که می‌توان از طریق انرژی نور فروسرخ بدست آورد، ساخت یک دیود فروسرخ که بتواند به خوبی کار کند بسیار دشوار خواهد بود.

با پیشرفت‌های اخیری که در ساخت دیودها همچون دیودهای تونلی یا بالیستیک صورت گرفته است، می‌توان ولتاژهای پایین را بهتر کنترل کرد و مشکل اخیر به زودی قابل حل خواهد بود. تیم کاری در این پروژه، پیشنهاد استفاده از امپدانس بالاتر در اجزای مدار را برای جبران ولتاژ پایین تولیدی داده اند که در نتیجه می‌توان ولتاژ را تا حد کاربردی‌تری افزایش داد.

مانع دیگری که وجود دارد سرعت است. تنها برخی از انوع دیودها قادرند با سرعتی حدود 30 میلیارد بار در ثانیه خاموش و روشن شوند که این سرعت برای انتقال یک سیگنال فروسرخ ضروری است. این مشکل نیز می‌بایست همزمان با مشکل ولتاژ و امپدانس در نظر گرفته شود تا بتوان به هدف نهایی نزدیک شد.

گویا دیگر تنها باید منتظر کره گرفتن از هوا باشیم؟ به نظر شما چنین روش‌هایی برای تولید انرژی در چه مکان‌هایی کاربرد دارد؟ آیا می‌توان از این روش در مسافرت‌های فضایی -برای مثال در ربات‌هایی مشابه روح و فرصت- بهره برد؟