تولید برق از ریزش باران/ نانوژنراتور‌هایی که از ضایعات دی‌و‌ی‌دی ساخته می‌شوند

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، انسان‌ها حداقل دوهزار سال است که می‌دانند چگونه از آب، انرژی تولید کنند. نخستین آسیاب آبی شناخته شده در بین النهرین در قرن چهارم قبل از میلاد ساخته شد که از آب جاری برای چرخاندن سنگ آسیاب استفاده می‌کرد. در قرن‌های بعد، افراد مبتکر دریافتند که چگونه یک توربین تولید برق را با آب رودخانه‌ای سدشده، بچرخانند؛ اما تولید میزان قابل توجه برق از مقادیر بسیار کمتر آب متحرک، حتی امروزه نیز غیرعملی است.

با این حال، تک تک قطرات آب هنگام سقوط، انرژی جنبشی را با خود به همراه می‌آورند و از نظر تئوری یک طوفان باران، نشان دهنده مقدار زیادی انرژی است که بدون استفاده، تلف می‌شود. 

اکنون دانشمندان دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا دانشگاه فناوری نانیانگ سنگاپور با استفاده از DVD‌های بازیافتی یک «نانوژنراتور انرژی قطرات» ساخته اند و امیدوارند دستاوردشان به مردم کمک کند تا در نهایت انرژی آب در حال سقوط را جمع آوری و از آن استفاده کنند.

«یفان وانگ» «Yifan Wang» یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: کار ما دو نقطه قوت را برجسته می‌کند. نخستین مورد مقرون به صرفه بودن است؛ زیرا دستگاه ما می‌تواند از DVD‌های بازیافتی ساخته شود. دومی خروجی بالاست. حتی با شیوه‌های ساخت ساده، همچنان به عملکرد فوق‌العاده بالایی دست پیدا می‌کنیم.

استفاده از زباله

با رو آوردن بیشتر مردم به ذخیره سازی داده‌های استریم و اَبری، DVD‌ها و CD ها، قدیمی می‌شوند. بر اساس گزارش آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا، هر ماه صدهزار پوند CD منسوخ می‌شود و هر سال ۵.۵ میلیون جعبه، نرم افزار در محل‌های دفن زباله ریخته می‌شود. تجزیه یک CD یا DVD در یک محل دفن زباله، ممکن است تا یک میلیون سال طول بکشد. فناوری‌های جدید، مانند این، که هدف جدیدی را برای DVD‌های قدیمی تعریف می‌کند، می‌تواند به کاهش این مشکل منجر شود.

یک DVD دارای برجستگی‌ها و حفره‌هایی بر روی سطح خود است که باعث می‌شود الکترون‌ها در پاسخ به برخورد یک قطره روی سطح، نوسان کنند. 

به گفته وانگ این مقدار زیادی جفت الکترون - حفره داغ روی سطح ایجاد می‌کند که می‌تواند به طور قابل توجهی تولید برق را در طول برخورد قطرات بهبود بخشد. جفت الکترون - حفره یک واحد اصلی تولید است که وقتی یک الکترون به موقعیت جدیدی حرکت می‌کند و یک «حفره» یا موقعیت خالی را پشت سر می‌گذارد، ایجاد می‌شود.

از نظر این پژوهشگران یکی از کاربرد‌های بالقوه در دنیای واقعی برای این نانوژنراتور نصب آن روی پشت بام یا پنجره برای جمع آوری انرژی در یک روز بارانی است.

محققان می‌گویند نانوژنراتور آن‌ها می‌تواند چند کاربرد مختلف در روز‌های بارانی داشته باشد، به عنوان مثال، این دستگاه می‌تواند برای تامین انرژی عملکرد‌های «پنجره هوشمند» استفاده شود. پنجره‌های هوشمند با لایه‌ای از کریستال مایع ساخته می‌شوند که در پاسخ به میدان الکتریکی، دوباره تنظیم می‌شوند و به پنجره اجازه می‌دهد از حالت مات به شفاف بازگشته و برعکس.

آن‌ها در طول بررسی‌های خود نشان دادند ریزش فقط پنج قطره آب به طور همزمان می‌تواند ولتاژ کافی برای تغییر لایه کریستال مایع از مات به شفاف تولید کند.

پنجره‌های هوشمندی که با این نانوژنراتور‌ها کار می‌کنند، می‌توانند به طور خودکار تیرگی پنجره را در هنگام بارندگی تغییر دهند. به طور متناوب، انرژی می‌تواند جمع آوری و ذخیره شود تا کاربر بتواند تغییرات را در صورت نیاز کنترل کند. برای این کار، برداشت کننده‌های انرژی را می‌توان به ماژول‌های ذخیره انرژی متصل کرد تا بدون توجه به آب و هوا، پنجره را از حالت مات به شفاف تبدیل کرد.

از آنجایی که وزن هر دستگاه کمتر از یک گرم است، نانو ژنراتور‌ها حتی می‌توانند (در تئوری) روی کت بارانی، چتر یا برگ‌های گیاهان نصب شوند. یک نانو ژنراتور نصب شده بر روی برگ گیاه می‌تواند برای تامین انرژی سیستم‌های نظارت هوشمند استفاده شود، اگرچه اجزای اضافی مورد نیاز است.

وانگ گفت: برای انتقال سیگنال به دو سیم و یک ماژول ذخیره انرژی نیاز داریم. این دستگاه سیستم‌های سنتی پایش خاک را پایدارتر می‌کند. حسگر‌های تجاری خاک به تعویض باتری نیاز دارند در صورتیکه می‌توان آن را با انرژی حاصل از آب باران روشن و یک پلتفورم خودپایدار ایجاد کرد.

این مهندسان می‌گویند این فناوری هنوز برای استفاده در کاربرد‌های بزرگتر مانند تامین انرژی کل خانه مورد مطالعه قرار نگرفته است، اما اگر می‌خواهیم برق خانه را تامین کنیم، باید آرایه‌ای از ژنراتور‌ها با مساحت بزرگ برای [تولید]مقدار بیشتری برق بسازیم. آن‌ها هنوز محاسبه نکرده اند این نیاز چقدر فضای اشغال می‌کند، اما «چند متر مربع» را تخمین می‌زدنند.

اگرچه کاربرد‌های بزرگ تری برای این فناوری امکان پذیر است، اما محققان بر این باورند اولین ارزش نانو ژنراتور آن‌ها در عملکرد خروجی بالا و هزینه ارزان آن است.

وانگ اظهار کرد: معتقدیم این منبع انرژی پاک مکمل، جدا از انرژی‌های خورشیدی یا بادی است، زیرا دستگاه‌های ما می‌توانند در هوای بارانی برق تولید کنند. در آینده، ما می‌توانیم سیستم‌هایی را بگنجانیم که به اندازه کافی بزرگ و قدرتمند باشند تا بتوانند برق یک خانه را در هنگام باران تامین کنند، اما استفاده فوری‌تر از آن برای تامین انرژی دستگاه‌های کوچکتر است.

نتایج این تحقیقات در نشریه Advanced Energy Materials منتشر شده است.