۱۲ آذر ۱۳۸۰ ۰۳:۳۰

كوچك زيباست

گردآوری و ترجمه: عبدالله مصطفایی . پریسا فخری

نانوژنراتور فناوری‌ای است که انرژی مکانیکی/حرارتی حاصل از تغییرات فیزیکی در مقیاس کوچک را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. این فناوری شامل سه روش برای برداشت انرژی است که شامل نانوژنراتور پیزوالکتریک (PENG)، نانوژنراتور تریبوالکتریک (TENG) و نانوژنراتور پایروالکتریک (PyNG) است. نانوژنراتورهای پیزوالکتریک و تریبوالکتریک انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و نانوژنراتورهای پایروالکتریک برای برداشت انرژی حرارتی استفاده می‌شوند. ایده نانوژنراتور از سال 2006 توسط «ژانگ لین وانگ» و همکارانش معرفی شد که یک نانوژنراتور پیزوالکتریک مبتنی بر نانومیله‌های اکسید روی بود. اساس کار نانوژنراتورهای پیزوالکتریک مبتنی بر مواد پیزوالکتریک است. مواد پیزوالکتریک موادی هستند که به واسطه فشار مکانیکی، می‌‌توانند الکتریسیته تولید کنند که به آن اثر پیزوالکتریک مستقیم گفته می‌شود. همچنین، این مواد هنگامی که اختلاف پتانسیل الکتریکی به آنها اعمال می‌‌شود، تغییر شکل می‌دهند که اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می‌شود. تاکنون انواع مختلفی از مواد پیزوالکتریک در ساخت این نانوژنراتورها به‌کار گرفته شده‌اند. در سال 2012 نانوژنراتورهای تریبوالکتریک برای اولین‌بار مطرح شدند و مشابه با نانوژنراتورهای پیزوالکتریک، این تکنولوژی جدید نیز توجه محققان زیادی را برای استفاده از آن به‌عنوان رویکرد قدرتمند و عملی در برداشت انرژی از محیط به خود جلب کرده است. تریبوالکتریک یک پدیده شناخته‌شده است که به تولید بار الکتریکی بین دو ماده مختلف وقتی در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، اشاره دارد. وقتی دو ماده در تماس با هم قرار می‌گیرند، پس از جداسازی دو سطح اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌شود. برای متعادل‌کردن اختلاف پتانسیل به‌وجودآمده، پدیده القای الکترواستاتیک الکترون‌های موجود در یک الکترود را از طریق بار خارجی به الکترود دیگر منتقل می‌کند. با ادغام اثر تریبوالکتریک و القای الکترواستاتیک، نانوژنراتورهای تریبوالکتریک اختراع شدند. این نانوژنراتورها برای به‌کارگیری انرژی مکانیکی محیطی، که همه‌جا در دسترس است و معمولا در زندگی روزمره هدر می‌رود، به‌کار می‌رود.

یک راهكار کلیدی برای جمع‌آوری انرژی پاک از اقیانوس حتی به میزان كم، ممکن است در روش تولید الکتریسیته ساکن باشد. اكنون تیمی از محققان در پرتغال با موفقیت توانسته‌اند از این مفهوم برای ساخت ژنراتورهای کوچک در داخل یک شناور ناوبری استفاده کرده و حسگرها و چراغ‌هایی را که این شناور برای جمع‌آوری داده‌ها و کمک به ملوانان استفاده می‌کند، تغذیه کنند. اگرچه مقیاس این پروژه تا این لحظه کوچک است ولی محققان می‌گویند این یک قدم مهم برای اثبات تکنیکی است که می‌تواند تلاش‌های موجود برای مهار قدرت امواج و سایر انواع حرکات طبیعی آن را تکمیل کند. اقیانوس‌ها یک منبع جذاب برای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر هستند. امواج به تنهایی سالانه 32000 تراوات ساعت انرژی طبیعی تولید می‌کنند و این در حالی است كه کل جهان سالانه حدود 23000 تراوات ساعت انرژی مصرف می‌کند. به‌علاوه باید قدرت جریان‌های دریایی، جزر و مد و انرژی حرارتی را نیز اضافه كرد. قابل ذكر است كه با وجود چندین دهه تحقیق، مهار حرکت اقیانوس دشوار می‌نماید. چون الگوهای موج غیرقابل پیش‌بینی است، آب دریا ماشین‌آلات فلزی را خورده و انرژی این امواج به‌طور هم‌زمان در سه بعد (بالا-پایین، جلو-عقب و چپ-راست) پراکنده می‌شود. به دلیل چنین چالش‌هایی، برق خروجی از چندین پروژه خلاقانه و مقیاس‌بزرگ مرتبط، از پیش‌بینی‌ها كمتر بوده است. در چنین شرایطی، محققان پرتغالی روی چیزی کوچک‌تر و قابل کنترل تمرکز کرده‌اند؛ یعنی تقویت قایق‌های ناوبری که غالبا از چراغ‌هایی برای هدایت قایق‌ها و حسگرهایی برای نظارت بر شرایط اقیانوس استفاده می‌کنند. این گروه تحقیقاتی به نانوژنراتورهای تریبوالکتریک یا TENGs روی آوردند که قادرند با استفاده از الکتریسیته ساکن، حرکت اقیانوس را به جریان الکتریکی تبدیل كنند و این چیزی شبیه مالیدن بادکنک به ژاکت پشمی برای ایجاد بار الكتریكی است. در هر هسته ژنراتور TENG دو سطح با مساحت چند سانتی‌مترمربعی وجود دارد که می‌توانند به‌راحتی بار مثبت یا بار منفی داشته باشند. روی این دو سطح روی هم، محققان 10 توپ فولادی ضد‌زنگ با قطر حدود 12 میلی‌متر قرار دادند که می‌توانند آزادانه در اطراف حرکت کنند. وقتی ظرف آنها کج می‌شود، توپ‌ها به اطراف خود می‌چرخند و دو سطح را به هم می‌مالند. این باعث ایجاد یک بار استاتیک می‌شود که می‌تواند به برق تبدیل شود تا باتری را تغذیه كند. «کاتیا رودریگز»، دانشجوی دکترای فناوری نانو در دانشگاه پورتو در پرتغال است و در‌این‌باره می‌گوید: «ما این تجهیزات جدید را ایجاد کردیم که قادرند ریتم و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند». او هفته گذشته در کنفرانس مؤسسه فیزیک آمریکا که به‌صورت آنلاین برگزار شد، در مورد شناور تجهیزشده با این دستگاه‌های جدید توسط تیم خود ارائه‌ای داشت. او می‌گوید: «این دستگاه‌ها ارزان‌قیمت هستند. آنها به توان با چگالی بالایی می‌رسند كه راندمان بالایی دارند». «رودریگز» می‌افزاید: «این ژنراتورهای TENG حتی وقتی امواج کوچک و نامرتب هستند نیز به‌خوبی عمل می‌کنند». TENGها می‌توانند از هر نوع حرکتی، نیرو تولید کنند‌ اما «رودریگز» و همکارانش روی آزمایش انواع ژنراتورهای TENG تمرکز کرده‌اند تا آنها را برای شرایط خاص حرکت موج، بهینه کنند. در آزمایش‌های اخیر او و همکارانش می‌خواستند ببینند کدام گزینه بیشترین میزان برق را به‌طور مداوم تولید می‌کند: قراردادن همه توپ‌ها در کنار هم در یک حوض گرد به شکل یک کاسه کم‌عمق یا ایجاد «یك مسیر» جداگانه برای هر توپ مانند زمان شنای شناگران روی خطوط استخر. این تیم که در آزمایشگاه هیدرولیک در دانشگاه پورتو کار می‌کردند، طرح‌هایی را برای TENGها آزمایش کردند که روی یک شناور در مقیاس یک‌هشتم از یک شناور واقعی اقیانوس‌پیما تعبیه شده بودند. آنها این مدل را در یک استخر موج قرار دادند و پنج الگوی متداول موج را که در بندر Figueira da Foz پرتغال رخ می‌دهد، شبیه‌سازی کردند. ژنراتورهای TENG توسط یک محقق در سال 2012 در مؤسسه فناوری جورجیا اختراع شد. «رودریگز» می‌گوید که مطالعه جدید آنها برای اولین‌بار است که در شرایط چنین موج واقعی آزمایش می‌شوند. البته نتیجه نیز موفقیت‌آمیز بوده است؛ یعنی طراحی TENG با الگوی مشابه شنا روی خطوط استخر توانست حداکثر 230 میکرووات خروجی تولید كند كه برای تغذیه دستگاه‌های کوچکی مانند ایمپلنت‌های پزشکی كافی است. همچنین این طراحی نسبت به طراحی کاسه كم‌عمق در شرایط موج‌های مختلف، انرژی را به‌طور ثابت و یكنواخت‌تری تبدیل می‌کند. «رودریگز» می‌گوید برق خروجی را می‌توان با ترکیب چند TENG یا افزودن نانوذرات به سطوح زیر گلوله‌های فلزی افزایش داد و این باعث افزایش ظرفیت مواد برای جمع‌آوری بار الكتریكی می‌شود. «اندرو همیلتون»، رئیس بخش مهندسی مؤسسه تحقیقات آکواریوم مونتری در خلیج کالیفرنیا است که در این کار جدید مشارکت نداشته است. او می‌گوید: «ممکن است ژنراتورهای TENG راه‌حلی برای یک مشکل کلیدی ارائه دهد که این مشكل مانع از توسعه دیگر فناوری‌های استحصال انرژی از اقیانوس شده است». او در ادامه می‌افزاید: «اقیانوس یک سیستم پرقدرت و کم‌سرعت است؛ به این معنی كه حاوی مقدار زیادی انرژی است، اما این قدرت به‌طور گسترده‌ای توزیع شده است. در نتیجه، ژنراتورهای چرخان سنتی اغلب به انرژی بیشتری نسبت به انرژی موجود در یک تکه کوچک از اقیانوس نیاز دارند و از این جهت سایر تلاش‌ها برای ایجاد شناورهایی برای استحصال انرژی از امواج به مشكل خورده‌اند. پروژه شناور مونتری با استفاده از تفاوت حرکت بین سطح آب و سکویی که ده‌ها تا صدها متر در زیر آن قرار دارد، نیرو تولید می‌کند. اما برای کار در اعماق زیاد، به یک کابل طولانی نیاز است که از امواج خروشان و جریان‌های زیر آب آسیب می‌بیند». در سال 2017 یک شناور ناوبری در هند خود را به یک سیستم ستون آب در‌حال نوسان، تجهیز کرد به‌نحوی‌كه امواج به‌طور متناوب یک محفظه تا حدی غوطه‌ور را پر و خالی کرده و هوا را به داخل و خارج از ستون می‌راندند. سپس هوایی كه با سرعت در‌حال حركت بود یك توربین را برای تولید برق می‌چرخاند. اما این روش صداهای مهیب و مشکل‌ساز ایجاد می‌کرد و دیگر آنكه فقط از حرکت در راستای عمودی موج استفاده می‌کرد. کوچک‌بودن اندازه ژنراتورهای TENG به آن کمک می‌کند تا از هر دو این مشکلات جلوگیری کند. «رودریگز» می‌گوید فشردگی آن یکی از مزایای آن است و به محققان اجازه می‌دهد تا TENGها را به‌راحتی با سایر روش‌های تولید برق مانند صفحات خورشیدی یا دیگر انواع برداشت‌کننده‌های انرژی از موج ترکیب کنند. بر اساس نتایج موفقیت‌آمیز در آزمایش‌های انجام‌شده در استخر موج، محققان قصد دارند نمونه اولیه TENG خود را اصلاح کرده و آن را در یک شناور واقعی در Figueira da Foz نصب کنند. «همیلتون» خاطرنشان می‌کند که یک آزمایش اقیانوس باز ممکن است چالش‌هایی را ایجاد کند که نمی‌توان آنها را در استخر شبیه‌سازی موج دید. او می‌گوید: «هر چیزی را که برای استفاده در طول سال در اقیانوس طراحی می‌کنید، باید آن را برای توفانی طراحی کنید که از نظر آماری هر 100 سال یک بار اتفاق می‌افتد». او توضیح می‌دهد که این نوع نگاه به شرایط آب‌وهوایی اغلب دستگاه را حجیم‌تر و با مانورپذیری و دوام كمتر می‌کند زیرا سطح اضافه‌شده فرصت بیشتری برای سایش و پارگی ایجاد می‌کند. البته «رودریگز» دلهره ندارد. او می‌گوید که عملکرد ژنراتورهای TENG را نه‌تنها در اقیانوس بلکه در دیگر «شرایط سخت»، از جمله هنگامی که آنها در داخل چاه‌های استخراج آب‌های زیرزمینی قرار می‌گیرند یا در زیر کفش دوخته شده‌اند، در دست مطالعه دارد. این كاربردهای گسترده باعث شده است که او انتظار داشته باشد در آینده TENGها را «در همه‌جا» ببیند.
یك جوالدوز به خودمان
از زمان اختراع TENGها، روندها، تأثیرات و استراتژی‌های تجاری‌سازی این نانوژنراتورها در مقیاس بزرگ با استفاده از روش‌های مختلفی مانند کتاب‌شناسی، تجزیه‌و‌تحلیل ثبت اختراع، استخراج فناوری، ارزیابی فنی و اقتصادی و نقشه راه فناوری مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که توسعه نانوژنراتورها یک فرایند بین‌رشته‌ای است و نیاز به تلاش نه‌تنها در زمینه‌های علم مواد و فناوری نانو بلکه در علوم کامپیوتر، سیستم‌های اطلاعاتی، سیاست‌های عمومی و بسیاری موارد دیگر دارد. بررسی‌ها نشان می‌دهد که چین، آمریکا، کره جنوبی، تایوان و ژاپن به‌ترتیب بیشترین مقالات منتشرشده در این زمینه را دارند. انستیتوی فناوری جورجیا و آکادمی علوم چین کمک‌های قابل‌توجهی در توسعه این فناوری جدید داشته‌اند. نانوژنراتورها در داخل کشور ما نیز مورد توجه محققان قرار گرفته و مقالات مختلفی در این حوزه‌ها به چاپ رسیده است. همچنین پایان‌نامه‌ها و پروپوزال‌هایی در مقاطع کارشناسی‌ارشد و دکترا در این زمینه به ثبت رسیده است. دانشگاه‌های شریف، امیرکبیر، علم و صنعت، تربیت مدرس، صنعتی اصفهان، آیت‌الله بروجردی، زاهدان، کاشان، سیستان‌و‌‌بلوچستان و دامغان و همچنین مؤسسات پژوهشی مانند پژوهشگاه نیرو، پژوهشگاه پلیمر و سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران از مراکز و مؤسساتی هستند که در زمینه طراحی و ساخت نانوژنراتورها فعالیت داشته‌اند. همچنین اخیرا چند جلد کتاب نیز در زمینه نانوژنراتورها به زبان فارسی ترجمه شده است.
ScientificAmerican, 10Aug. 2021

برای اطلاع از آخرین اخبار و تحلیل‌ها به کانال شرق در «بله» و «روبیکا» بپیوندید.