12 تکنولوژی نوظهور و انرژی آینده زمین
طبق پیش‌بینی‌های سازمان ملل جمعیت 7 میلیاردی حال حاضر جهان در سال 2021 فراتر از 11 میلیارد نفر خواهد شد. این افزایش جمعیت با چالش‌های محیط زیستی و فشار‌های زیادی بر منابع انرژی مواجه خواهند شد.
بر همین اساس، محققان دانشگاه جورجیاتک (Georgia Tech) در حال تحقیق بر تکنولوژی‌هایی هستند که انرژی را به وفور، کارآمد و سازگار با محیط زیست توسعه دهند.
در ادامه نگاهی کوتاه بر 12 تکنولوژی غیرمعمولی که می‌توانند انرژی آینده زمین را تامین کنند، می‌اندازیم.
1- Na-TECC؛ به شوری نمک و به شیرینی انرژی
شانون یی (Shannon Yee) استایدار دانشگاه جورجیاتک در حال توسعه تکنولوژي است که با انبساط ایزوترمال سدیم (ماده تشکیل دهنده نمک) و گرمای خورشید، برق تولید کند. این تکنولوژی با ترکیب نماد شیمیایی نمک (Na) و حروف اول ترمو-الکتروشیمیایی (TECC) ؛ و به پاس تحقیقات انجام شده در دانشگاه جورجیاتک (GaTech) به نام Na-TECC نامگذاری شده است.
تولید برق با این روش نیاز به هیچ قسمت محرکی ندارد و هدف از این کار، تبدیل گرما به برق با بازدهی بیش از 45 درصد است. در حالیکه یک موتور خودرو 20 درصد بازدهی و اکثر منابع شبکه برق 30 درصد بازدهی تولید انرژی دارند.
2- نسل جدید بتاولتائیک (Betavoltaic)
گروه تحقیقاتی شانون یی (Shannon Yee)، در یک پروژه دیگر از زباله‌های هسته‌ای به جز راکتور و قطعات متحرک، برای تولید برق استفاده می‌کنند.
تحقیقات انجام شده توسط آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاع (DARPA) در همکاری با دانشگاه استنفورد، توسعه تکنولوژی جدیدی شبیه به تجهیزات فتوولتائیک است. البته این تکنولوژی یک تفاوت بزرگ دارد. به جای استفاده از فوتون‌ها که از خورشید ساطع می‌شوند، از الکترون‌های پرانرژی ساطح شده از محصولات جانبی هسته‌ای استفاده می‌کند.
فناوری بتاولتائیک از دهه 1950 وجود داشته است اما محققان روی عنصر تریتیوم یا نیکل-63 به عنوان ساطع کننده بتا تمرکز داشته‌اند. در‌حالی‌که در پروژه استاد شانون یی، از استرانسیم-90 به عنوان یک ایزوتوپ رایج در زباله‌های هسته‌ای برای تشعشع مجدد در این تکنولوژی استفاده شده است.
دلیل محبوبیت استرانسیوم-90 این است که در مرحله واپاشی، دو الکترون پرانرژي از خود ساطع می‌کند. شانون یی معتقد است که دستگاه‌های بتاولتائیک می‌توانند در مدت 30 سال، یک وات توان تولید کنند که این رقم 40000 برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم یونی است.
از این تکنولوژی می‌توان در تجهیزات نظامی و یا برق‌رسانی به مناطق دورافتاده که فرصت و امکان تعویض باتری وجود ندارد، استفاده کرد.
3- ژنراتورهای انعطاف‌پذیر
گروه شانون یی، پیشگام در حوزه استفاده از پلیمر در ژنراتورهای ترموالکتریک (TEG) هستند.
در دستگاه‌هایی که مستقیما و بدون قطعات متحرک گرما را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند، از رساناهای غیر آلی استفاده می‌شود. اما پلیمرها به دلیل انعطاف‌پذیری و رسانایی پایین حرارتی، کارایی بالایی برای طراحی‌های هوشمند هستند و می‌توان از این مواد برای دستگاه‌های با کارایی بالا، بدون نیاز به خنک کننده استفاده کرد. این کار به طور چشمگیری هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد.
ترموالکتریک هنوز کاربردهای منحصر به فرد دارند و بسیار محدود هستند و فقط در برخی موقعیت‌های قابلیت جابجایی با باتری‌ها را دارند. اما با گسترش دانش پلیمرها، طبق گفته شانون یی، می‌توان ماده‌ای تولید کرد که باعث تولید برق شود.
4- بازیافت امواج رادیویی
گروه تحقیقاتی به رهبری مانوس تنزیرس (Manos Tentzeris) یک دستگاه جمع‌کننده انرژی الکترومغناطیسی را تولید کرده‌اند که می‌تواند انرژي کافی را از طیف فرکانس‌های رادیویی (RF) برای کار با دستگاه‌های اینترنت اشیا (IOT)، حسگرهای شهرهای هوشمند و قطعات الکترونیکی پوشیدنی جمع‌آوری کند.
جمع‌آوری و برداشت امواج رادیویی کار جدیدی نیست، اما کارهای قبلی فقط به سیستم‌های کوتاه برد محدود می‌شدند. اما طی تحقیقات صورت گرفته توسط تیم Tentzeris، دستگاه تولید شده توسط آن‌ها اولین دستگاه جمع‌آوری انرژی دور برد است.
تکنولوژی این دستگاه در سال اخیر ارتقا یافته است و با سایر دستگاه‌های برداشت انرژی سازگار شده و تشکیل یک سیستم هوشمند داده‌اند. ای سیستم هوشمند محیط را بهتر کاوش می‌کند و بهترین منبع انرژی محیط را برای جمع‌آوری انتخاب می‌کند. علاوه بر این اشکال مختلف انرژی نظیر الکترومغناطیس، خورشیدی، ارتعاشی و جنبشی را نیز ترکیب می‌کند.
5- انتخاب بهترین ارتعاشات
رویکرد دیگری از برداشت انرژی که محققان دانشگاه جورجیاتک در حال توسعه آن هستند، انرژی پیزوالکترونیک است. پیزوالکترونیک به معنی تبدیل کرنش مکانیکی ارتعاشات محیطی به الکتریسیته است.
این مدل تبدیل انرژي، دهه‌هاست که توسط محققین در حال بررسی است اما به دلیل کاربردهای موردی مورد استقبال قرار نگرفت و به صورت تجاری گسترش نیافت.
دستگاه‌های جدید برداشت انرژی پیزوالکتریک به رفتار رزونانسی خطی متکی هستند و برای به حداکثر رساندن توان الکتریکی، فرکانس تحریک منابع محیطی باید با فرکانس رزونانس دستگاه مطابق باشد. ارتورک (Erturk) استادیار دانشگاه جورجیاتک و محقق پروژه پیزوالکتریک گفت: حتی یک عدم تطابق جزئی باعث کاهش شدید انرژی خروجی می‌شود.
ارتورک (Erturk) ادامه داد: اگرچه خروجی برق از دستگاه برداشت ارتعاش کم است، اما می‌تواند نیاز به تعویض باتری در دستگاه‌های کم مصرف مثل سنسورهای بی‌سیم برای نظارت سلامت سازه پل‌ها و یا هواپیماها را تامین کند.
6- انرژی اصطکاک
تریبوالکتریک تولید بار الکتریکی از اصطکاک ناشی از تماس دو ماده مختلف است. هرچند قرن‌هاست که این انرژی شناخته شده است اما هیچ‌گاه به عنوان یک منبع تولید انرژی به آن نگاه نشده است.
در این زمینه محققان دانشگاه جورجیاتک به مدیریت ژانگ لین وانگ (Zhang Lin Wang) استاد دانشکده مهندسی مواد، نانوژنراتورهای تربیوالکتریک (TENG) جدیدی ساخته‌اند که اثر ترکیب تربیوالکتریک و القا الکترواستاتیکی را برداشت می‌کند. این ژنراتورها با برداشت انرژی مکانیکی تصادفی می‌توانند به‌طور مداوم وسایل الکترونیکی کوچک را راه‌اندازی کنند.
نقطه عطف این دستگاه یک طرح دو مرحله‌ای است: ابتدا نانوژنراتور تربیوالکتریک یک خازن کوچک را شارژ می‌کند، سپس انرژی به یک خازن یا باتری بزرگتر منتقل می‌شود که با امپدانس خروجی ژنراتور مطابقت دارد و ولتاژ مناسب و خروجی ثابتی را فراهم می‌کند.
از این نانوژنراتورهای تربیوالکتریک می‌توان برای نظارت بر تعداد ضربان قلب، ساعت مچی، ماشین‌حساب‌های علمی و فرستنده‌های بی‌سیم RF استفاده کرد.
7- آنتن یکسوکننده نوری (Optical Rectena)
محققان دانشگاه جورجیاتک به سرپرستی باراتوند کولا (Baratunde Cola) استادیار دانشکده مهندسی مکانیک، درحال توسعه تکنولوژي‌های آنتن یکسوکننده هستند که این تکنولوژي بسیار کارآمدتر و کم هزینه‌تر از سلول‌های خورشیدی است که این روزها در سراسر دنیا رایج شده است.
Rectena، از دو قسمت آنتن و یکسوکننده تشکیل شده است که انرژی الکترومغناطیس را به جریان الکتریسیته مستقیم تبدیل می‌کنند. ایده اصلی این تکنولوژی از سال 1960 وجود داشته است، اما تیم کولا (Baratunde Cola) این تکنولوژی را با استفاده از سازه‌هایی در مقیاس نانو و فیزیک متفاوت توسعه داده‌اند. این تیم به جای تبدیل ذرات نور، کاری که سلول‌های خورشیدی انجام می‌دهند، امواج نور را تبدیل کرده‌اند.
جز اصلی این تکنولوژی، آنتن‌هایی است که بسیار کوچک هستند و می‌توانند با طول موج نور (حدودا یک میکرون) و یک دیود فوق سریع، مطابقت داشته باشند.
باراتوند کولا (Baratunde Cola) در توضیح مراحل این تکنولوژی افزود:
- نانولوله‌های کربنی به صورت عمودی و در زیر یک سطح رشد می‌کنند.
- با استفاده از رسوب لایه اتمی، نانولوله‌ها با اکسید آلومینیوم پوشانده می‌شوند و به عنوان یک عایق عمل می‌کنند.
- لایه‌های بسیار نازکی از کلسیم و آلومینیوم در سطح بالا قرار می‌گیرند تا به عنوان آند عمل کنند.
با برخورد نور به نانولوله‌های کربنی، یک “بار” از طریق یکسوکننده حرکت می‌کند و جریان مستقیم کوچکی ایجاد می‌کند. ساختار دیود به اندازه کافی سریع است که با سرعت 1 کوادریل در ثانیه باز و بسته شود.
این تیم محققین اکنون برای کاهش مقاومت در تماس و رشد نانولوله‌ها در سطوح انعطاف‌پذیر (برای کاربردهایی که نیاز به خم شدن دارند) تمرکز کرده‌اند.
8- سلولز
اگرچه استفاده از سوخت‌های فسیلی به عنوان منبع اصلی آلودگی محیط زیست شناخته می‌شود، اما در مورد آسیب‌های زیست محیطی ناشی از زباله دستگاه‌های الکترونیک نیز نگرانی‌هایی وجود دارد.
محققان مرکز فوتونیک و الکترونیک آلی دانشگاه جورجیاتک (COPE) و موسسه محصولات تجدیدپذیر، در حال توسعه تکنولوژی الکترونیک مبتنی بر کاغذ هستند.
الکترونیک مبتنی بر کاغذ شامل سلول های خورشیدی آلی، دیودهای ساطع‌کننده نور (OLED) و ترانزیستورهای اثر میدانی آلی (OFET) ساخته شده روی سلولز است که به راحتی قابل بازیافت هستند.
استفاده از کاغذ توجه اکثر محققان را به خود جلب کرده است، اما وجود تخلخل و زبری سطح آن چالش‌هایی را به وجود آورده است.
اجزای الکترونیک آلی از لایه‌های نیمه‌رسانای بسیار نازکی بر پایه کربن استفاده می‌کنند که این لایه کربن حدود 1000 برابر نازک‌تر از موی انسان است. طبق توضیحات برنارد کیپلن (Bernard Kippelen)، به دلیل نازکی، نیاز به لایه‌های تقریبا اتمی مسطح، با عمق یک نانومتری است.
برای حل این مشکل، تیم برنارد کیپلن (Bernard Kippelen) با استفاده از نانوبلورهای سلولزی (CNC) نوعی ماده چوبی (Wunderkind)، برای تولید دستگاه‌های نیمه‌رسانای جدید، نشان می‌دهد که CNC ها جایگزین مناسبی برای لایه‌های پلاستیکی سنتی هستند.
از مزایای زیست محیطی CNC، دستگاه‌های ساخته شده بر روی این بستر می‌توانند به راحتی در آب حل شوند، که این امر اجازه می‌دهد مواد نیمه‌رسانا و لایه‌های فلزی بازیافت شوند.
9- سوختی از آسمان
یک گروه محققین دیگر به سرپرستی پیتر لوتزنیزر (Peter Loutzenhiser) در حال استفاده از انرژی خورشیدی برای معکوس کردن فرآیند احتراق و تولید گاز سنتز (مخلوطی از گازهای هیدروژن، مونوکسید کربن و مقادیر کمی دی‌اکسید کربن) هستند که می‌توانند به سوخت‌هایی مانند نفت سفید و بنزین تبدیل شوند.
پیتر لوتزنیزر (Peter Loutzenhiser) استادیار دانشگاه جورجیاتک افزود: به جای استفاده از منابع فسیلی برای تولید سوخت، از محصولات جانبی احتراق (آب و دی‌اکسید کربن) برای تولید انرژی مجدد از طریق خورشید استفاده می‌کنیم.
این محققان در حال مطالعه یک فرآیند دو مرحله‌ای با استفاده از اکسیدهای فلزی هستند که می‌تواند آب و دی‌اکسید کربن را بشکافد. مرحله اول، بین دمای 1100 تا 1800 درجه سانتیگراد رخ می‌دهد، حرارت اکسیژن را از مواد اکسید فلز کاهش می‌دهد.
سپس در مرحله دوم در دمای 300 تا 900 درجه سانتیگراد، آب یا دی‌اکسید کربن وارد می‌شود. دمای پایین مرحله دوم نسبت به مرحله اول برای اکسیداسیون مجدد مطلوب است، که باعث می‌شود اکسید فلز بتواند اکسیژن را از آب یا از دی‌اکسیدکربن پس بگیرد و در نتیجه هیدروژن یا مونوکسیدکربن ایجاد کند.
طبق گفته‌های پیتر لوتزنیزر (Peter Loutzenhiser)، اجرای دقیق هر دو مرحله مهم است در غیر اینصورت اکسیژن با مونوکسیدکربن یا هیدورژن ترکیب می‌شود و در نتیجه گرما آزاد و از بین می‌رود.
در صورت رونق و تجازی سازی، این تکنولوژی می‌تواند مناطق کویری را به مزارع تولید سوخت تبدیل کند. به جای اینکه سوخت را از زمین بیرون کشید، می‌توان دی‌اکسید کربن را از هوا گرفت و با استفاده از خورشید آن را تبدیل به سوخت کرد.
10- ابرخازن‌های گرافنی، جایگزینی برای باتری‌ها
ابرخازن‌ها کاربردهای مختلفی از برنامه نظامی تا استفاده در آسانسور و اتومبیل دارند. آن‌ها منابع جذابی برای انرژی پاک هستند و چرخه عمر طولانی دارند. اما ابرخازن‌ها یک ایراد بزرگ نیز دارند؛ چگالی کم انرژي.
طبق اظهارات میلین لیو (Meilin Liu) استاد دانشگاه جورجیاتک، ابرخازن‌های امروزی تنها یک دهم چگالی انرژی باتری‌های یون لیتیوم را دارند. برای اینکه دستگاه انرژی الکتریسیته یکسانی ارائه دهد باید دستگاه خیلی بزرگ باشد.
گروه تحقیقاتی دانشگاه جورجیاتک به سرپرستی میلین لیو (Meilin Liu)، در حال توسعه تکنولوژی تولید ابرخازن با گرافن هستند.
گرافن ماده‌ای دو بعدی است که جریان الکتریسیته را بهتر از مس هدایت می‌کند، سبک‌تر از فولاد و 100 برابر قوی‌تر است. با وجود این مزایا، عیب گرافن در این است که تمایل به جمع شدن و تشکیل گرافیت دارد.
برای جلوگیری از تشکیل گرافیت، محققان فاصله‌های مولکولی بین ورق‌های گرافن قرار می‌دهند و یک ساختار متخلل 3 بعدی ایجاد می‌کنند. با این روش این ابرخازن‌ها ظرفیت 400 فارادی بر گرم را نشان می‌دهند که چهار برابر بیشتر از ابرخازن‌های فعلی است.
محققان با ترکیب گرافن 3 بعدی با فلزات و حفظ چرخه عمر، ظرفیت حدود 1500 فارادی بر گرم را بدست آورده‌اند.
میلین لیو (Meilin Liu) افزود: با پیشرفت‌های صورت‌گرفته در این تکنولوژی، محققان در حال ساخت ابرخازن‌هایی هستند که می‌توانند به اندازه باتری کوچک باشند در حالیکه سریعتر شارژ و تخلیه می‌شوند و چرخه عمر طولانی‌تری دارند.
این نسل جدید از ابرخازن‌ها می‌توانند جایگزین باتری‌ها شوند و برای بسیاری از کاربردها، مانند وسایل الکترونیکی قابل حمل، وسایل نقلیه الکتریکی و حتی شبکه‌های هوشمند، انرژی پاک‌تر، ایمن‌تر و قوی‌تر فراهم کنند.
11- پمپ‌های حرارتی یکپارچه در مقیاس میکرو
محققان به سرپرستی سرینیواس گاریملا (Srinivas Garimella)، در حال توسعه تکنولوژی جدید هستند که یک سیستم خنک کننده به اندازه یک کتاب است و از گرمای اتلاف شده به جای الکریسیته استفاده می‌کند.
از این تکنولوژی در تاسیسات گسترده مانند بیمارستان‌ها و دانشگاه‌ها استفاده می‌شود، اما این تیم تحقیقاتی در حال اجرای پروژه در مقیاس میکرو هستند.
از زمان رونمایی این تکنولوژی در مقیاس بزرگ، این محققان پمپ‌های حرارتی خنک کننده با ظرفیت یک و دو تن مبرد تولید کرده‌اند، در حالیکه بهره‌وری به طور قابل ملاحظه‌ای نسبت به سیستم‌های مشابه بهبود یافته است.
همچنین از این تکنولوژی برای تهیه خنک‌کننده با استفاده از گرمای اتلاف شده از ژنراتورهای دیزلی در پایگاه‌های نظامی نیز استفاده شده است. استفاده از این تکنولوژی با استفاده از اتلاف گرما و بدون مصرف انرژی اولیه اضافی، باعث کاهش هزینه‌های کلی و افزایش ایمنی پرسنل خواهد شد.
12- نسل جدید نیروگاه‌های انرژی
محققان دانشگاه جورجیاتک در حال ایجاد تغییرات اساسی در نیروگاه‌ها هستند و نوآوری‌هایی از چرخه‌های برق تا زیرساخت‌ها را مورد مطالعه قرار داده‌اند.
در این پروژه، بخار با کربن‌دی‌اکسید فوق بحرانی (SCCO2) به عنوان سیال در حال کار برای کارکرد توریبن‌ها و تولید برق جایگزین می‌شود.
کربن‌دی‌اکسید فوق بحرانی (SCCO2) زمانی که کربن‌دی‌اکسید تحت فشار بیش از 7.4 مگاپاسکال و دمای بالاتر از 31 درجه سانتیگراد قرار گیرد، به وجود می‌آید. این ماده، جایی بین مایع و گاز، چگالی سیال، هدایت حرارتی و ظرفیت گرما را فراهم می‌کند.
طبق گفته‌های دوش رنجان (Devesh Ranjan) سرپرست گروه تحقیقاتی، در برنامه‌های انرژی، چگالی و قابلیت فشردگی بالای آن، ژنراتورها را قادر می‌سازد تا انرژی بیشتری از توربین‌ها استخراج کنند.
همچنین استفاده از کربن‌دی‌اکسید فوق بحرانی (SCCO2)، در نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز می‌تواند بازده حرارتی را از 45 به 60 درصد برساند، که این برای رقابت با سوخت‌های فسیلی کافی است.
علاوه بر رقابت‌پذیری بیشتر انرژی خورشیدی، از مبدل‌های حرارتی می‌توان از SCCO2 برای افزایش کارایی در نیروگاه‌های سوخت‌های فسیلی نیز استفاده کرد. کارایی بیشتر در نیروگاه‌های سوخت‌های فسیلی به معنای انتشار دی‌اکسیدکربن کمتر در هر کیلووات تولید شده است.
سخن پایانی
12 تکنولوژی نوظهور برای تامین انرژی آینده زمین را با یک‌دیگر بررسی کردیم. امیدواریم با پیشرفت هرچه سریعتر این تکنولوژی‌ها و استفاده از زیرساخت‌های مناسب، بتوانیم زمین را سبز و آینده را درخشان کنیم.
