موفقیت دانشمندان در تولید برق از رطوبت هوا

پژوهشگران موفق شده‌اند دستگاهی بسازند که می‌تواند ۲۰ ساعت بی‌وقفه کار و برق تولید کند. این دستگاه در فضاهای داخلی و خارجی کاربردی است.

روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد که می‌توانیم به‌طور بالقوه تمام انرژی موردنیاز برای حسگرهای پزشکی کوچک یا دیگر دستگاه‌های دارای حداقل نیاز انرژی را تأمین کنیم. بااین‌حال، معمولا فاصله‌ی زیادی بین چنین مواردی و چیزهای دیگری وجود دارد؛ مانند ژاکتی که وقتی راه می‌روید، گوشی تلفن شما را شارژ می‌کند. دستگاه‌های تولیدکننده‌ی برق یا قابلیت افزایش مقیاس ندارند یا کارآیی آن‌ها چنان کم است که برای شارژ تلفن نیز به زمان بسیار زیادی نیاز است. به‌تازگی مجله‌ی Nature مقاله‌ای منتشر و در آن دستگاهی را توصیف کرده است که به‌گفته‌ی نویسندگان، از یک طرف می‌تواند انرژی دستگاه‌های کوچکی مانند حسگرهای پزشکی را تأمین کند و از طرف دیگر مقیاس‌پذیر است؛ چنانکه با پنل‌های خورشیدی می‌تواند رقابت کند.

تمام آنچه دستگاه برای تولید انرژی به آن نیاز دارد، رطوبت محیط است. جالب این است که ظرفیت توسعه‌ی این دستگاه را دانشجویی به‌طور تصادفی کشف کرد که در حال کار روی موضوع کاملا متفاوتی بود. البته شمار زیادی از کشفیات علمی هنگامی رخ داده‌اند که دانشمندان مشغول کار روی موضوع دیگری بوده‌اند. تابش زمینه‌ی کیهانی (CMB) را افرادی کشف کردند که در حال کار روی گیرنده‌ی مایکروویو بودند؛ ولی با منبع آزاردهنده‌ای از نویز روبه‌رو شده بودند که از بین نمی‌رفت.

درباره‌ی کار اخیر، دانشجویی به‌نام شیائومنگ لیو مشغول کار روی پروتئین‌های رشته‌مانندی بود که باکتری آن‌ را ساخته بود. در بسیاری از گونه‌ها، این الیاف ریزی که با میکروسکوپ معمولی هم دیده نمی‌شوند، رساناهای مناسبی هستند و پژوهشگران در آزمایشگاه‌های مختلف در حال مطالعه‌ی ویژگی‌های مذکور و نیز باکتری‌هایی هستند که آن‌ها را تولید می‌کنند.

لیو مجموعه‌ای از پروتئین‌های باکتریایی را بین صفحات فلزی قرار داده بود. او در حال مطالعه‌ی ویژگی‌های این پروتئین‌ها بود؛ اما پروتئین‌ها ولتاژی تولید می‌کردند که تجهیزات او آن را ثبت کرد. احتمالا این ولتاژ موجب مزاحمت در روند کارش می‌شد و او می‌خواست از دست آن رها شود و در بیشتر موارد موفق نمی‌شد. تنها چیزی که به‌نظر می‌رسید ولتاژ را از بین ببرد، حذف رطوبت از محیط بود؛ بنابراین، لیو و دیگر اعضای آزمایشگاه توجه خود را از این مسئله که چگونه ولتاژ را حذف کنند، به این مسئله تغییر دادند که چگونه رطوبت ولتاژ تولید می‌کند. در پایان، آن‌ها دستگاهی ساختند که صفحه‌ی رسانایی بود که در الیاف پروتئینی ریز حاصل از باکتری پوشانده شده بود. در بالای الیاف، نوارهای نازکی از الکترود قرار دادند. فاصله‌ی بین نوارها موجب می‌شد هوا به الیاف برسد و رطوبت نیز راه خود را به توری پیدا کند.

در حالت ابتدایی، دستگاه می‌تواند اختلاف ظرفیتی برابر یک ولت با چگالی توان حدود ۴۰ میلی‌وات‌ بر‌ سانتی‌مترمربع ایجاد کند. حتی وقتی اندازه‌ی دستگاه تا حد یک میلی‌متر کاهش پیدا می‌کند، می‌تواند نیم‌ولت انرژی تولید کند. دستگاه مذکور حتی وقتی سطح رطوبت محیط به حد ۲۰ درصد نیز می‌رسد (مقدار رطوبتی که معمولا فقط در بیابان دیده می‌شود)، کار می‌کند. ولتاژ حاصل زمانی در حداکثر مقدار خود بود که لایه‌ی الیاف پروتئینی ضخامت ۱۴ میکرومتر داشت؛ بنابراین، دستگاه به مقدار زیادی پروتئین نیاز ندارد.

دستگاه می‌تواند حدود ۲۰ ساعت به‌طور مستقیم برق تولید کند؛ البته در جریان این مدت، ولتاژ تا حدود ۳۰ درصد افت پیدا می‌کند. اگر تولید جریان پنج ساعت متوقف شود، ولتاژ کاملا بازیابی می‌شود؛ با‌این‌حال، مشخص نیست دستگاه بدون تخریب دائمی عملکرد چندبار بازیافت‌شدنی است. پژوهشگران دقیقا به این موضعو اشاره نمی‌کنند و می‌گویند «به‌طور مکرر».

حتما شما هم می‌خواهید بدانید نحوه‌ی عملکرد دستگاه چگونه است. به‌گفته‌ی پژوهشگران، عملکرد دستگاه به وجود شیب رطوبتی در لایه‌ی پروتئینی نیاز دارد. براساس اندازه‌گیری‌ها، میزان اشباع در سطح شبکه ۲۷ درصد و میزان اشباع در پایه‌ی شبکه حدود ۳ درصد است. تعدادی از مولکول‌های آب جذب‌شده یونیزه می‌شوند و بقیه نیز به یونیزه‌شدن برخی از زیرگروه‌های شیمیایی پروتئین‌ها کمک و پروتون‌ها را در بسته‌های کوچکی از مایع آزاد می‌کنند.

به‌عقیده‌ی پژوهشگران، همین یون‌ها هستند که قابلیت انتقال بارهای الکتریکی را ازطریق الکترودها فراهم می‌آورند. پژوهشگران برای تأیید این موضوع برخی پلیمرهای مرتبط را آزمایش کردند و دریافتند وجود گروه‌های شیمیایی که به‌راحتی یونیزه می‌شوند، با عملکرد الکتریکی مرتبط است. این امر تا حدی معقول است؛ چراکه شیب آب موجود در دستگاه به‌ این مفهوم است که در یک سمت از آن درمقایسه‌با سمت دیگر، مواد یونیزه بیشتری وجود دارد. همچنین، می‌توانید ببینید چگونه وقتی به دستگاه فرصت داده شود تا مجددا به حالت تعادل درآید، یون‌های استفاده‌شده هنگام فعالیت دستگاه برای تولید بار الکتریکی بازیابی خواهند شد.

البته ازآنجاکه به‌تدریج شیب رطوبتی در دستگاه از بین می‌رود، مشخص نیست دستگاه مذکور چگونه می‌تواند عملکرد خود را به‌طور نامحدود حفظ کند. بااین‌حال، پژوهشگران درباره‌ی چشم‌انداز آینده‌ی چنین دستگاهی امیدوار هستند. با‌توجه‌به اینکه تمام آنچه دستگاه به آن نیاز دارد، هوا است، می‌توان تعداد زیادی از آن را به‌طور انبوه در هر ساختار تعبیه کرد.

طبق محاسبات پژوهشگران، اگر مکعبی با وجه یک‌ متر داشته باشید که در آن فضای مساوی به جریان هوا و دستگاه‌های برداشت رطوبت اختصاص دهید، دستگاه می‌تواند یک کیلووات انرژی تولید کند. این مقدار با پنل‌های خورشیدی مدرن مقایسه‌شدنی است که به‌ازای هر مترمربع حدود ۲۰۰ وات انرژی تولید می‌کنند و آن‌ها را نمی‌توان به‌صورت انبوه روی‌هم قرار داد. البته نمی‌توان انتظار داشت جریان هوای زیادی در چنین دستگاهی وجود داشته باشد که اجزای آن بسیار نزدیک به‌هم قرار دارند؛ اما می‌توان برای بهبود جریان هوا قدری از چگالی توان را قربانی کرد. این دستگاه را می‌نوان هرجایی درمعرض هوای مرطوب قرار داد و هنگام شب نیز کار می‌کند.

یکی از پرسش‌های بی‌پاسخ درباره‌ی دستگاه این است که چقدر می‌تواند از اشباع‌شدن از آب اجتناب کند. مسئله‌ی دیگر آن است که پروتئین‌ها در محیط طی زمان تجزیه می‌شوند و مشخص نیست عملکرد این دستگاه چقدر وابسته‌ به حفظ ساختار الیاف است. ماده‌ی استفاده‌شده در این دستگاه نیز با برش از سطح باکتری در محیط کشت به‌دست می‌آید. این روش برای تولید انبوه اقتصادی نیست. پلیمرهای جایگزین با ترکیب شیمیایی مشابه ممکن است همین عملکرد را داشته باشند؛ اما هنوز آزمایش نشده‌اند. سرانجام، مدل پژوهشگران از این دستگاه نشان می‌دهد الیاف پروتئینی کارآمدترین گزینه برای ساخت این نوع دستگاه‌ها نیستند. طبق محاسبه‌ی پژوهشگران، دستگاه آن‌ها به‌اندازه‌ی ۴ درصد از حداکثر توان تئوریکش تولید دارد؛ بنابراین، پرسش بی‌پاسخ بزرگ دیگر آن است که چقدر می‌توانیم عملکرد دستگاه را بهبود بخشیم.