تولید برق از هوای رقیق با کمک فناوری نانو

محققان دانشگاه ماساچوست روشی را برای تولید برق به صورت مداوم از رطوبت هوا با استفاده از فناوری نانو کشف کرده اند.

به گزارش تکناک؛ این روش اثر Air-gen نامیده می شود. این تکنیک، مقیاس پذیر و بدون وقفه، راه را برای تولید برق مستمر و مقرون به صرفه از طیف وسیعی از مواد مختلف باز می کند و باعث غلبه بر محدودیت‌های انرژی‌های تجدیدپذیر مشابه مانند انرژی خورشیدی و بادی می شود.

تیمی از مهندسان دانشگاه ماساچوست آمهرست اخیراً نشان داده اند که تقریباً هر ماده ای را می توان به وسیله ای تبدیل کرد که به طور مداوم الکتریسیته را از رطوبت موجود در هوا بدست آورد. راز این امر در این است که بتوان مواد را با نانوحفره هایی با قطر کمتر از 100 نانومتر بمباران کرد.

شیائومنگ لیو، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق و کامپیوتر در کالج مهندسی دانشگاه ماساچوست آمهرست و نویسنده اصلی مقاله می گوید: این بسیار هیجان انگیز است. ما دری وسیع را برای تولید برق پاک از هوای رقیق باز می کنیم.

جون یائو، استادیار مهندسی برق و کامپیوتر در کالج مهندسی در دانشگاه ماساچوست آمهرست و نویسنده ارشد مقاله می گوید: هوا حاوی مقدار زیادی برق است. به ابری فکر کنید که چیزی بیش از توده ای از قطرات آب نیست. هر یک از این قطرات حاوی یک بار است، و وقتی شرایط مناسب باشد، ابر می‌تواند یک رعد و برق تولید کند، اما ما نمی‌دانیم چگونه می توانیم جریان برق صاعقه را به‌طور قابل‌اطمینانی جذب کنیم. کاری که ما انجام داده‌ایم این است که یک ابر در مقیاس کوچک ایجاد کرده‌ایم که به‌طور پیش‌بینی‌شده و پیوسته برای ما برق تولید می‌کند تا بتوانیم آن را برداشت کنیم.

قلب ابرهای ساخته شده توسط انسان به چیزی بستگی دارد که یائو و همکارانش آن را « اثر Air-gen » می‌نامند، و بر اساس کاری است که یائو و همکارش درک لولی، استاد برجسته میکروبیولوژی در دانشگاه ماساچوست آمهرست ، قبلاً در سال 2020 تکمیل کرده بودند. این تحقیق نشان داد نشان می دهد که می توان برق را به طور مداوم از هوا با استفاده از یک ماده تخصصی ساخته شده از نانوسیم های پروتئینی رشد یافته از باکتری Geobacter sulfurreducens برداشت کرد.

یائو می‌گوید: آنچه که ما پس از کشف Geobacter متوجه شدیم این است که توانایی تولید الکتریسیته از هوا  چیزی که ما آن را  اثر ژنریک هوا  نامیدیم عمومی است. به معنای واقعی کلمه هر نوع ماده می‌تواند الکتریسیته را تا زمانی که خاصیت ویژه ای داشته باشد از هوا برداشت کند.

آن خاصیت ویژه چیست؟

ماده مورد نظر برای تولید برق به صورت مداوم از رطوبت هوا باید سوراخ‌هایی کوچکتر از 100 نانومتر یا کمتر از یک هزارم عرض موی انسان داشته باشد.

این به دلیل پارامتری است که به نام «مسیر آزاد متوسط» شناخته می‌شود، یعنی فاصله‌ای که یک مولکول از یک ماده، در این مورد، آب موجود در هوا است، پیش از برخورد به مولکول دیگری از همان ماده طی می‌کند.

یائو و همکارانش متوجه شدند که می توانند بر اساس این عدد یک ماشین تولید برق طراحی کنند. این تولید کنند برق از لایه نازکی از مواد پر از نانوحفره‌های کوچکتر از 100 نانومتر ساخته می‌شود که به مولکول‌های آب اجازه می‌دهد از قسمت بالایی به قسمت پایینی ماده عبور کنند. اما از آنجایی که هر منفذ بسیار کوچک است، مولکول‌های آب هنگام عبور از لایه نازک به راحتی به لبه منافذ برخورد می‌کنند. این بدان معنی است که قسمت بالایی لایه با تعداد بیشتری مولکول آب حامل بار نسبت به قسمت پایین بمباران می شود و عدم تعادل بار را ایجاد می کند، مانند آنچه در ابر وجود دارد، زیرا قسمت بالایی بار خود را نسبت به قسمت پایین افزایش می دهد. این در واقع یک باتری ایجاد می کند. باتری که تا زمانی که رطوبت در هوا وجود دارد کار می کند.

یائو می‌گوید: ایده ساده است، اما قبلاً هرگز کشف نشده بود و انواع احتمالات را باز می‌کند. این دستگاه تولید برق را می توان به معنای واقعی کلمه از انواع مواد طراحی کرد و انتخاب های گسترده ای را برای ساخت مقرون به صرفه و سازگار با محیط ارائه داد. شما می‌توانید ماشین‌های تولید برق را به تصویر بکشید که از یک نوع ماده برای محیط‌های جنگل‌های بارانی و دیگری برای مناطق خشک‌تر ساخته شده‌اند.

از آنجایی که رطوبت همیشه وجود دارد، این ماشین تولید برق 24 ساعته در شرایط مختلف، مانند باران، آفتاب، شب و هنگام وزش باد کار می کند. این انعطاف یکی از مشکلات عمده فناوری هایی مانند باد یا خورشید را که فقط در شرایط خاص کار می کنند حل می کند.

در نهایت، از آنجایی که رطوبت هوا در فضای سه بعدی پخش می شود و ضخامت دستگاه Air-gen تنها کسری از عرض یک موی انسان است، هزاران عدد از آنها را می توان روی هم قرار داد و به طور موثری برداشت انرژی را افزایش داد. چنین دستگاهی قادر به ارائه توانی در سطح کیلووات برای مصارف عمومی و برق خواهد بود.

یائو می‌گوید: دنیای آینده را تصور کنید که در آن برق تمیز هر کجا که هستید در دسترس باشد. اثر عمومی Air-gen به این معنی است که این رویا در دنیای آینده می تواند به واقعیت تبدیل شود.