تصور کنید لباس شما بتواند از گرمای طبیعی بدنتان برق تولید کند. این ایده‌ی آینده‌نگرانه اکنون به واقعیت نزدیک‌تر شده است، آن هم به لطف دانشمندان دانشگاه فناوری چالمرز در سوئد و دانشگاه لینشوپینگ.
به گزارش تکناک، پژوهشگران می‌گویند این فناوری نساجی جدید، از طریق اثر ترموالکتریک گرمای بدن را به برق تبدیل می‌کند و این قابلیت را دارد که انرژی دستگاه‌های الکترونیکی را از طریق لباس تأمین کند.
این نوآوری که در یک مقاله از مجله Advanced Science توصیف شده، بر پایه‌ی پلیمری جدید به نام PBFDO ساخته شده است که به عنوان روکش روی نخ ابریشم معمولی استفاده می‌شود.
ماریاویتوریا کرایگرو (Mariavittoria Craighero)، محقق اصلی این نوآوری در بیانیه‌ای گفت: پلیمرهایی که ما استفاده می‌کنیم، قابل‌انعطاف، سبک‌وزن و در حالت مایع و جامد به‌راحتی قابل استفاده هستند. همچنین این مواد غیرسمی هستند.
فهرست مطالب
حل یک مشکل قدیمی در ترموالکتریک‌های نساجی
برخلاف تلاش‌های قبلی برای ساخت لباس‌های ترموالکتریک، این پیشرفت علمی یکی از موانع اصلی در مسیر توسعه را حل کرده است: نبود پلیمرهای n-type پایدار در برابر هوا. این نوع پلیمرها (n-type) قابلیت انتقال بار منفی (الکترون) را دارند و مکمل ضروری پلیمرهای p-type (حامل بار مثبت) برای ساخت دستگاه‌های ترموالکتریک مؤثر هستند. پیش از این، بیشتر پلیمرهای n-type در تماس با اکسیژن به‌سرعت تخریب می‌شدند و طی چند روز کارایی خود را از دست می‌دادند.
کرایگرو توضیح می‌دهد: ما پلیمری جدید و مهم پیدا کرده‌ایم که اخیراً کشف شده است. این پلیمر در تماس با هوا پایدار است و می‌تواند الکتریسیته را به خوبی هدایت کند. با استفاده از این پلیمرها، دیگر نیازی به فلزات کمیاب نیست که معمولاً در ساخت وسایل الکترونیکی استفاده می‌شوند.
نخ ابریشمی که لباس‌ها را به ایستگاه شارژ تبدیل می‌کند
گروهی پژوهشی به رهبری محققان دانشگاه چالمرز نخ ابریشمی معمولی را با پلیمر رسانای PBFDO پوشش داده‌اند. این نخ توانایی تولید برق از طریق تفاوت دما را دارد. در یکی از نمونه‌ها، دکمه‌ای با این نخ دوخته شد تا فناوری به‌صورت عملی نمایش داده شود.
نحوه عملکرد منسوجات ترموالکتریک
ژنراتورهای ترموالکتریک با تبدیل تفاوت دما به انرژی الکتریکی کار می‌کنند. زمانی‌که یک طرف ماده‌ی ترموالکتریک گرم‌تر از طرف دیگر باشد، الکترون‌ها از سمت گرم به سمت سرد حرکت می‌کنند و یک جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. بدن انسان به‌طور پیوسته گرما تولید می‌کند و به‌صورت طبیعی اختلاف دما بین پوست و محیط اطراف وجود دارد. برای عملکرد مؤثر، نیاز به وجود هر دو نوع ماده p-type و n-type هست. در حالی‌که پلیمرهای p-type پیش‌تر به خوبی توسعه یافته‌اند، تولید مواد n-type پایدار و کارآمد تاکنون چالش‌برانگیز بوده است.
ویژگی‌های برجسته نخ پوشیده‌شده با PBFDO
نخ‌های جدید پوشش‌داده‌شده با PBFDO در برابر هوا بسیار پایدار هستند. در حالی‌که بسیاری از مواد مشابه تنها چند روز دوام می‌آورند، این نخ‌ها در بیش از ۱۴ ماه بدون هرگونه پوشش محافظ عملکرد خوبی دارند. محققان عمر این مواد را حدود ۳.۲ سال پیش‌بینی می‌کنند که دستاوردی بی‌سابقه برای رساناهای آلی است.
از نظر مکانیکی نیز این نخ‌ها عملکرد چشمگیری دارند، مانند:
- تا ۱۴٪ کشش قبل از پاره‌شدن
- مقاومت در برابر شست‌وشو با ماشین لباس‌شویی (پس از ۷ بار شست‌وشو، هنوز دو سوم قابلیت رسانایی خود را حفظ کردند)
- این مواد همچنین در دماهای بسیار پایین هم انعطاف‌پذیری خود را حفظ می‌کنند، حتی زمانی‌که با نیتروژن مایع سرد می‌شوند.
برای نمایش توانایی این فناوری، تیم پژوهشی دو نوع دستگاه ترموالکتریک ساخته‌اند:
- دکمه ترموالکتریک با خروجی ۶ میلی‌ولت در اختلاف دمای ۳۰ درجه سلسیوس
- ژنراتور نساجی بزرگ‌تر با ولتاژ خروجی ۱۷ میلی‌ولت در اختلاف دمای ۷۰ درجه سلسیوس
با استفاده از مبدل ولتاژ، این خروجی‌ها می‌توانند ابزارهای کم‌مصرف مثل حسگرها را تغذیه کنند. با این حال، خروجی فعلی که حدود ۰.۶۷ میکرووات در اختلاف دمای ۷۰ درجه می‌باشد، بسیار کمتر از چیزی است که برای شارژ ابزارهایی مثل گوشی نیاز است. همچنین باید در نظر داشت که اختلاف دمای استفاده‌شده در آزمایشگاه (تا ۷۰ درجه) بیشتر از اختلاف دمایی است که در لباس‌های روزمره تجربه می‌کنیم.
کاربردهای بالقوه در سلامت و فناوری‌های پوشیدنی
با وجود محدودیت فعلی در توان خروجی، این فناوری برای حوزه‌های پزشکی بسیار امیدوارکننده است. حسگرهایی که ضربان قلب، دمای بدن یا الگوهای حرکتی را رصد می‌کنند، می‌توانند بدون نیاز به باتری و شارژ مداوم عمل کنند. بیمارانی با بیماری‌های مزمن، یا ورزشکاران حرفه‌ای، می‌توانند از ابزارهای پوشیدنی که خودشان انرژی خود را تامین می‌کنند، استفاده کنند که به‌صورت بی‌وقفه اطلاعات حیاتی را ثبت می‌کند.
در آینده، این فناوری می‌تواند قابلیت‌هایی مانند سنجش محیط، مکان‌یابی یا نمایشگرهای LED ساده را نیز به لباس‌ها اضافه کند. با بهبود بازده تبدیل انرژی، امکانات بیشتر و پیچیده‌تری نیز قابل‌تصور خواهد بود.
چالش‌های باقی‌مانده
فرآیند تولید فعلی زمان‌بر است و هنوز برای تولید تجاری مناسب نیست.
کریستیان مولر، استاد گروه شیمی و مهندسی شیمی دانشگاه چالمرز و رهبر پروژه، می‌گوید: ما اکنون نشان داده‌ایم که تولید مواد رسانای آلی با ویژگی‌هایی مناسب برای استفاده در نساجی ممکن است. این یک گام مهم رو به جلو است. فرصت‌های شگفت‌انگیزی در نساجی ترموالکتریک وجود دارد و این تحقیق می‌تواند تأثیر بزرگی بر جامعه داشته باشد.
یکی از چالش‌های کلیدی، مقاومت الکتریکی در نقاط اتصال است که در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای مشخص شد. کاهش این مقاومت می‌تواند توان خروجی را تا سه برابر یا بیشتر افزایش دهد. تعداد نخ‌ها و طول هر بخش ترموالکتریک نیز بر عملکرد تأثیر دارد که یافته‌های مفیدی برای طراحی‌های آینده فراهم می‌آورد.
گامی به‌سوی آینده‌ای هوشمند و پایدار
علاقه به پلیمرهای رسانا در سال‌های اخیر افزایش یافته است. این مواد، مانند سیلیکون، الکتریسیته را هدایت می‌کنند ولی در عین حال مانند پلاستیک انعطاف‌پذیر هستند. تحقیقات در این حوزه در کاربردهایی چون سلول‌های خورشیدی، اینترنت اشیا، واقعیت افزوده، رباتیک و ابزارهای الکترونیکی قابل‌حمل ادامه دارد.
تصور کنید روزی لباس‌تان بتواند گوشی هوشمند شما را فقط با گرمای بدنتان شارژ کند!
آینده چگونه خواهد بود؟ واضح است که راهی برای ساخت پارچه‌های ترموالکتریک وجود دارد که در شرایط روزمره نیز عملکرد خوبی داشته باشند. این پژوهش توانسته فاصله بین آزمایشگاه‌ها و کاربردهای دنیای واقعی را پر کند. توسعه این پلیمرها همچنین با اهداف پایداری محیط‌زیستی هماهنگ است، زیرا نیاز به فلزات کمیاب را از بین می‌برد. با پیشرفت بیشتر در کارایی و تولید انبوه، این فناوری می‌تواند ما را به آینده‌ای نزدیک کند که لباس‌ها نه‌تنها ما را گرم نگه دارند، بلکه دستگاه‌های ما را نیز روشن نگه دارند.
