فهرست مطالب
محققان یک ژنراتور برق قطره‌ای ساخته‌اند که با استفاده از قطرات باران و خود آب، برق تولید می‌کند.
به گزارش تکناک، قطرات باران نه تنها منبعی برای آب تازه هستند، بلکه حامل انرژی بالقوه‌ای هستند که به‌صورت طبیعی از آسمان می‌بارد. دانشمندان سال‌ها در جستجوی راهی برای تبدیل این آب بارانی به برق بوده‌اند، اما ژنراتورهای سنتی با چالش‌هایی مانند بازده پایین، ساختار سنگین و محدودیت در مقیاس‌پذیری روبه‌رو بوده‌اند.
اکنون پژوهشگران دانشگاه هوانوردی و فضانوردی نانجینگ راهکاری نوین ارائه کرده‌اند، ژنراتوری شناور که آب باران را به‌عنوان بخش حیاتی ساختار خود به کار می‌گیرد. این طراحی سبک، مقرون‌به‌صرفه و دوست‌دار محیط زیست، مسیر جدیدی برای تولید انرژی تجدیدپذیر ایجاد می‌کند.
در ژنراتورهای سنتی، برق زمانی تولید می‌شود که قطرات باران به فیلم دی‌الکتریک روی پایه‌ای سخت و با الکترود فلزی زیر آن برخورد کنند. اگرچه این سیستم‌ها قادر به تولید ولتاژهایی به‌اندازه صدها ولت هستند؛ اما وابستگی به مواد جامد و گران‌قیمت باعث سنگینی و هزینه بالای ساخت می‌شود.
طراحی جدید اما به‌صورت شناور روی آب عمل می‌کند، که در آن آب هم به‌عنوان پایه نگهدارنده و هم به‌عنوان الکترود رسانا عمل می‌کند. این ادغام با طبیعت، وزن مواد را تا حدود ۸۰ درصد و هزینه ساخت را تقریبا ۵۰ درصد کاهش می‌دهد و در عین حال خروجی برق مشابه سیستم‌های قدیمی حفظ می‌شود.
چگونه از باران برق بگیریم؟
وقتی قطرات باران روی سطح دی‌الکتریک شناور برخورد می‌کنند، ویژگی‌های طبیعی آب (از جمله عدم فشردگی و کشش سطحی قوی) ثبات مکانیکی لازم برای جذب ضربه‌ها و پخش مؤثر قطرات را فراهم می‌کند. در همین حال، یون‌های موجود در آب به‌عنوان حامل‌های بار عمل کرده و آب را به یک الکترود قابل اعتماد تبدیل می‌کنند. این ترکیب به ژنراتور شناور امکان می‌دهد ولتاژهای اوج حدود ۲۵۰ ولت به ازای هر قطره تولید کند، که عملکردی مشابه طراحی‌های سنتی با الکترودهای فلزی و ساختارهای سخت دارد.
دوام و پایداری از دیگر نقاط قوت این طراحی هستند. آزمایش‌ها نشان دادند که ژنراتور W-DEG عملکرد خود را در شرایط مختلف، از جمله تغییرات دما، غلظت‌های متفاوت نمک و حتی آب دریاچه‌های باز با رشد زیستی حفظ می‌کند. برخلاف بسیاری از دستگاه‌های تولید انرژی که در محیط‌های سخت دچار افت کارایی می‌شوند، ژنراتور شناور به لطف خنثی بودن شیمیایی لایه دی‌الکتریک و ساختار مبتنی بر آب، به‌طور پایدار به کار خود ادامه می‌دهد.
برای افزایش ثبات، تیم از کشش سطحی بالای آب برای طراحی حفره‌های زهکشی استفاده کرده است که اجازه می‌دهد آب به پایین جریان یابد اما به بالا بازنگردد، و به این ترتیب یک سیستم خودتنظیم برای حذف قطرات اضافی ایجاد شده است. این نوآوری از تجمع آب جلوگیری کرده و مانع کاهش خروجی می‌شود.
توسعه ژنراتور برق قطره‌ای برای آینده
قابلیت توسعه، یکی از برجسته‌ترین ویژگی‌های ژنراتور برق قطره‌ای شناور است. پژوهشگران دستگاه یکپارچه‌ای به مساحت ۰.۳ متر مربع طراحی کرده‌اند (که نسبت به ژنراتورهای قطره‌ای پیشین بسیار بزرگ‌تر است) و قادر است هم‌زمان ۵۰ LED را روشن کند.
این سیستم همچنین خازن‌ها را ظرف چند دقیقه به ولتاژ عملیاتی شارژ می‌کند و نشان می‌دهد که توان تامین انرژی برای تجهیزات کوچک و حسگرهای بی‌سیم را دارد. با پیشرفت بیشتر، چنین سیستم‌هایی می‌توانند در دریاچه‌ها، مخازن یا نواحی ساحلی نصب شده و برق تجدیدپذیر تولید کنند، بدون اینکه زمین ارزشمند اشغال شود.
پروفسور وانلین گو، نویسنده مسئول این مطالعه، می‌گوید: «با بهره‌گیری از آب به‌عنوان سازه و الکترود، رویکردی نوین برای تولید برق از قطرات ایجاد کرده‌ایم که سبک، مقرون‌به‌صرفه و مقیاس‌پذیر است. این مسیر، امکان ایجاد سیستم‌های هیدروولتاییک بدون نیاز به زمین را فراهم می‌کند که می‌توانند مکمل فناوری‌های انرژی خورشیدی و بادی باشند.»
کاربردهای این فناوری فراتر از جمع‌آوری انرژی از باران است. با توجه به اینکه دستگاه به‌طور طبیعی روی سطح آب شناور است، می‌توان از آن در محیط‌های آبی مختلف برای تغذیه حسگرهای پایش محیط زیست، از جمله کیفیت آب، شوری یا آلودگی استفاده کرد.
در مناطق با بارش فراوان، این فناوری می‌تواند انرژی توزیع‌شده‌ای برای شبکه‌های محلی فراهم کند یا به‌صورت مستقل از شبکه‌های برق کاربرد داشته باشد. همچنین مفهوم «طراحی یکپارچه با طبیعت» می‌تواند راهگشای ایده‌های نوین در فناوری‌های سبز باشد.
اگرچه نتایج آزمایشگاهی نویدبخش است، اما پیش از استقرار در مقیاس بزرگ، چالش‌هایی باقی است. قطرات باران واقعی در اندازه و سرعت متفاوت هستند و این ممکن است عملکرد دستگاه را تحت تأثیر قرار دهد و تضمین یکپارچگی فیلم‌های دی‌الکتریک بزرگ در شرایط پویا، نیازمند مهندسی بیشتر است. با این حال، ارائه نمونه‌ای پایدار، کارآمد و مقیاس‌پذیر، گامی مهم به سوی کاربردهای عملی محسوب می‌شود. نتایج این تحقیق در مجله National Science Review منتشر شده است.
