در سال 2020 محققین دانشگاه ماساچوست موفق شدند با کمک نانو سیم های پروتئینی از رطوب موجود در هوا استفاده کرده و انرژی الکتریکی تولید کنند. این دستاورد بزرگ موجب شد تا مبحث انرژی های تجدید پذیر و روش های تولید آنها به مرحله ای جدید تر وارد شود.
در سال جاری (2023) همان گروه پژوهشگران طی مطالعه ای گسترده تر و دقیق تر متوجه شدند که نانو حفرات موجود در مواد نانومتری عامل کلیدی در دستیابی به انرژی الکتریکی از رطوبت هوا بوده و هر ماده ای که حاوی نانو حفرات باشد جهت تولید انرژی الکتریکی قابل استفاده است.
در این مقاله به بررسی این دستاورد پرداخته شده و همچنین روش نوین تولید انرژی الکتریکی از رطوبت هوا توضیح داده شده است.
رطوبت محیط و انرژی الکتریکی
طی دهه های گذشته سوخت های فسیلی منابع اصلی و تجدید ناپذیر تولید انرژی الکتریکی بوده اند. اما عدم تجدید پذیری این منابع باعث شده است تا محققین بر این شوند تا منابع پاک و تجدید پذیر را جهت تامین انرژی الکتریکی جایگزین سوخت های فسیلی کنند.
در سال های اخیر، منابعی نظیر آب، باد و خورشید توانسته اند تا حد قابل قبولی جایگزین سوخت های فسیلی شوند اما به علت تقاضای بالای جوامع به انرژی الکتریکی و همچنین محدودیت های موجود برای منابع تجدید پذیر (عدم پایداری و گستردگی) امکان جایگزین کردن کامل این منابع وجود ندارد. از این رو همواره دستیابی به منابعی که پایدار، گسترده و همیشه در دسترس باشند موضوعی چالش برانگیز و مهم بوده است.
مطالعات اخیر نشان دادند که رطوبت موجود در هوا می تواند به عنوان منبع تامین انرژی الکتریکی استفاده گردد. با توجه به اینکه رطوبت یا به عبارت دیگر مولکول های آب همیشه و در همه جا حتی در گرم ترین نقاط دنیا وجود دارند بنابراین می توان رطوبت هوا را به عنوان منبعی پایدار، گسترده، همیشه در دسترس و تجدید پذیر در نظر گرفت. در نتیجه این امر، روش های گوناگونی نیز جهت تولید انرژی الکتریکی از رطوبت موجود در هوا مطرح شدند که اساس همگی آنها بر ایجاد تماس میان مولکول های آب و سطحی جامد می باشد بطوریکه گرادیان توزیع مولکول ها در سطح جامد تشکیل شده و بدنبال آن جریان الکتریکی حاصل گردد.
به عنوان مثال یکی از روش های مطرح شده برای تامین انرژی الکتریکی از رطوبت هوا بکارگیری سطوح ناصاف و یا ایجاد پوشش های ناصاف بر سطوح می باشد تا امکان ایجاد تماس میان مولکول آب و سطح جامد افزایش یابد. این روش به همراه روش های دیگر مطرح شده صرف نظر از عملیاتی بودنشان بعلت نیازمند بودن به شرایط ویژه و همچنین هزینه های زیاد دچار محدودیت شدند بطوریکه امکان تولید الکتریسیته بطور مداوم برای این روش ها وجود نداشت.
اخیرا، مشخص شد که یک لایه نازک و یکنواخت ساخته شده از نانو سیم های پروتئینی (نانو سیم های پروتئینی از میکروبی به نام Geobacter Sulfurreducens استخراج شدند) قابلیت تولید انرژی الکتریکی از رطوبت موجود در هوای محیط با چگالی انرژی بالا و پایداری بالا را دارا می باشند. اما نکته ای که باید به آن اشاره کرد این است تولید بیولوژیکی نانو سیم های پروتئینی هزینه ای گزاف داشته و این موضوع تولید انبوه این تکنیک را دشوار می نماید. این عیب باعث شد تا محققین مطالعات گسترده تری روی این موضوع انجام دهند با این هدف که عامل کلیدی در موفقیت این تکنیک نوین را تعیین کرده و بر اساس آن امکان استفاده از مواد ارزان قیمت جهت استفاده در تولید انرژی الکتریکی از رطوبت هوا را فراهم آورند.
اساس روش تولید الکتریسیته از رطوبت بر تماس میان مولکول های آب و سطح جام می باشد و هرچه اندرکنش جامد – گاز (مولکول آب) تدوام بیشتری داشته باشد بازدهی تولید انرژی الکتریکی این روش بیشتر بوده و پایداری آن نیز بالاتر است.
نتایجی که از نانو سیم های پروتئینی بدست آمد نشان از پایداری بالا و بازدهی مطلوب آنها در تولید الکتریسته داشت و در نتیجه این فرضیه شکل گرفت که وجود نانو حفراتی با ابعاد کوچکتر از nm 100 عامل کلیدی در پایداری و بازدهی مطلوب این تکنیک در تولید الکتریسیته می باشد.
برای درک بهتر نقش نانو حفرات لازم است تا از دیدگاه علم سیالات به موضوع توجه کنیم. در سیالات گازی پارامتری برای مولکول ها تعریف شده است تحت عنوان Mean Free Path of Molecule که نشان دهنده طول مسیری است که هر مولکول قبل از برخورد با سایر مولکول های گازی بصورت آزادانه طی می کند. در مورد مولکول های آب هوا این پارامتر برابر با nm 100 می باشد. با توجه به این تعریف، در صورتیکه بخواهیم از رطوبت و یا مولکول های آب موجود در هوا برای تولید الکتریسیته استفاده کنیم لازم است تا از برخورد این مولکول ها با یکدیگر (اندرکنش گاز- گاز) تا حد امکان جلوگیری کنیم و تمایل آنها را به ایجاد تماس با سطح جامد (اندرکنش جامد – گاز) افزایش دهیم. برای این منظور اگر سطح جامد حاوی نانو حفرات کوچکتر از nm 100 در مسیر حرکت مولکول ها قرار گیرد اندرکنش جامد – گاز به اندرکنش گاز – گاز غلبه کرده و تمایل مولوکول های آب به ایجاد تماس با سطح جامد افزایش می یابد. این فرضیه نشان داد که سایر مواد حاوی نانو حفرات می توانند جایگزین نانو سیم های پروتئینی گرانقیمت شوند با این شروط که:
- 1. ابعاد حفرات این مواد کمتر یا در حدود nm 100 باشد
- 2. این مواد براحتی با مولکول های آب تماس ایجاد کنند.
محققین در مطالعه جامع خود با در نظر گرفتن فرضیات بالا، از مواد با ترکیبات مختلفی برای تولید الکتریسیته از رطوبت محیط استفاده کردند. آنها تعدادی صفحه نازک که هر کدام به ترتیب از نانو الیاف سلولز، نانو الیاف ابریشم، پوسته اکسید گرافن و نانو سیم های پلی اتیلن دیوکسی تیوفن (Polyethylenedioxythiophene) تشکیل شده بودند آماده کرده و در فرآیند تولید انرژی الکتریکی استفاده کردند.
لازم به ذکر است که تمامی صفحات نازک ساخته شده حاوی نانو حفرات سطحی بوده و سطح آنها از قابلیت جذب رطوبت برخوردار بود (برخورداری از سطح Hygroscopic). نتایج بدست آمده از آزمایشات نشان دادند که تمامی صفحات بکاربرده شده نه تنها بازدهی مطلوبی در تولید الکتریسیته از رطوبت محیط را دارا بودند بلکه پایداری خوبی داشته و در درازمدت تولید انرژی الکتریکی متوقف نگردید. این نتایج مشخص کردند که این روش نوین به ترکیب شیمیایی نانو مواد استفاده شده بستگی نداشته و عامل اصلی در عملیاتی شدن این روش وجود نانو حفرات سطحی در صفحات نازک به همراه قابلیت بالای سطوح آنها در جذب رطوبت محیط می باشد. به عبارت دیگر می توان گفت که فرضیه در نظر گرفته شده کاملا درست بوده و صرفا نانو سیم های پروتئینی قابلیت تولید الکتریسیته را ندارند. بدین ترتیب می توان این روش را با استفاده از مواد و ترکیباتی به مراتب ارزان قیمت تر انجام داد و تولید انبوه دستگاه های تولید کننده انرژی الکتریکی از رطوبت هوا را تسهیل نمود.
در این روش چگونه از رطوبت هوای محیط الکتریسیته استخراج می گردد؟
با توجه به تصاویر زیر مکانیزم تولید الکتریسیته از رطوبت هوا را می توان توضیح داد. زمانی که صفحه نازک ساخته شده از نانو الیاف و حاوی نانو حفرات در اتمسفر محیط قرار می گیرد مولکول های آب موجود در در هوا جذب سطوح جامد می گردد که این جذب راحت مولکول ها ناشی از قابلیت ویژه سطح جامد در جذب رطوبت (آبدوست بودن سطح) می باشد. نکته ای که باید به آن اشاره کرد این است که در لایه های درونی/پایینی صفحه جایی که نانو الیاف ها در یکدیگر تنیده شده و فضاهای خالی نانو متری در کنار نانو حفرات سطحی وجود دارند فشار اتمسفر بیشتر از قسمت های بیرونی/بالایی صفحه می باشد. این اختلاف فشار باعث می شود تا غلظت یا تعداد مولکول های آب هوا در لایه های بیرونی نسبت به لایه های درونی بیشتر باشد. به بیانی دیگر، نانو الیاف های قرار گرفته در قسمت های بیرونی صفحه نسبت به نانو الیاف های موجود در قسمت های درونی با تعداد بیشتری از مولکول ها در تماس هستند. با توجه به اینکه با افزایش امکان تماس مولکول ها با سطح میزان جذب آنها به سطح جامد افزایش می یابد از این رو یک گرادیان جذبی از قسمت بیرونی به سمت قسمت درونی صفحه نازک ایجاد می گردد. لازم به ذکر است که گرادیان جذبی بوجود امده در صفحه نازک در طول زمان پایدار می باشد و این موضوع کمک می کند تا تولید انرژی الکتریکی نیز در درازمدت ادامه داشته و از بین نرود.
از طرف دیگر، زمانی که مولکول های آب موجود در هوا جذب سطح نانو الیاف می شوند پدیده جذب – واجذب دینامیک (Dynamic Adsorption – Desorption) می گردد به این معنی که مولکول ها دائما جذب سطح شده و سپس از آن جدا می شوند و این فرایند جذب – واجذب بطور مداوم تکرار می گردد. در نتیجه این پدیده، شارژ سطحی اتفاق می افتد. صورت گرفتن پدیده شارژ سطحی در کنار وجود گرادیان غلظت مولکول های آب در صفحه نازک باعث می شوند اختلاف شارژ در صفحه بوجود آمده و در ادامه امکان استخراج انرژی الکتریکی فراهم گردد.
(شماتیکی از مکانیزم تولید الکتریسیته از رطوبت موجود در هوا)
این روش نوین نشان داد که امکان تولید الکتریسیته با عدم وابستگی به منابع تجدید ناپذیر در همه زمان و همه جا بدون محدودیت امکان پذیر می باشد اما همچنان نیازمند مطالعات بیشتر و گسترده تری است تا بتوان این روش را بهینه نمود و بازدهی آن را تا حداکثر ممکن افزایش داد.
منابع:
