تولید برق از مواد زائد گیاهان و جانوران امکان پذیر می‌شود

به گزارش خبرگزاری آنا به نقل از ادونس ساینس نیوز، دانشمندان چگونگی استفاده مجدد از این مواد را برای تولید برق با کمک یک دستگاه کوچک و زیبا که به نام «نانو ژنراتور تریبوالکتریک» (TENG) شناخته می‌شود، کشف کرده اند.

TENG‌ها که در سال ۲۰۱۲ اختراع شدند، انرژی پس زمینه تصادفی و اغلب تلف شده را بدون نیاز به سوخت یا باتری به برق تبدیل می‌کنند. این دستگاه‌ها انرژی را از محیط (مانند امواج اقیانوس، باد، قطرات باران یا ارتعاشات) و حتی از حرکات عادی فرد مانند راه رفتن یا خوابیدن می‌گیرند و انرژی مورد نیاز خود را تامین می‌کنند. طراحی ساده و اقتصادی آنها اصطکاک را برای تولید برق مهار می‌کند.

آنها این کار را از طریق پدیده‌ای به نام اثر تریبوالکتریک (الکتریسته مالشی) انجام می‌دهند که وقتی اتفاق می‌افتد که دو ماده که تمایلات متفاوتی برای تبادل الکترون دارند با هم تماس پیدا می‌کنند و سپس از هم جدا می‌شوند.

وقتی این فرآیند بار‌ها و بار‌ها تکرار می‌شود ولتاژی تولید می‌کنند که برای تامین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی کوچک کافی است؛ هر چه اختلاف شارژ بین این دو ماده بیشتر باشد، ولتاژ خروجی بالاتر است.

پلیمر‌های مبتنی بر نفت حاوی فلوئور، مانند پلی تترا فلوئورواتیلن، به دلیل بار منفی زیاد، معمولا به عنوان مواد «تریبومنفی» پذیرنده الکترون، استفاده می‌شوند، اما این پلاستیک‌های مصنوعی زیست تخریب پذیر نیستند. همچنین این امر در مورد لایه‌ها و اکسید‌های فلزی که معمولا به عنوان مواد «تریبومثبت» اهداکننده الکترون استفاده می‌شوند نیز درست است.

«تائه جون ها» «Tae-Jun Ha» استاد مهندسی مواد الکترونیکی در دانشگا کوانگ وون در کره جنوبی و مجری این تحقیقات گفت: «در نانوژنراتور‌های تریبوالکتریک مبتنی بر زباله زیستی، یک یا هر دو طرف لایه‌های تریبوالکتریک از مواد زاید زیستی فرآوری شده یا فرآوری نشده ساخته شده اند که باید برای توانایی شان در القای بار در هنگام تماس با سطوح دیگر بهینه شوند.»

مواد مبتنی بر کربن که ضایعات گیاهی و حیوانی را می‌سازند مانند سلولز، کیتوزان، کلاژن، ژلاتین و کراتین، در گروه‌های شیمیایی الکترون دهنده معروف به گروه‌های کربوکسیل، آمینو، آمید و هیدروکسیل به وفور یافت می‌شوند و امکان استفاده به جای فلزات به عنوان مواد تریبومثبت را دارند.

به گفته محققان، اگرچه بیشتر مواد زائد زیستی به جای پذیرش الکترون، آن را اهدا می‌کنند، اما مواد تریبومثبت ضعیف را می‌توان در ترکیب با مواد به تریبومثبت قوی ترکیب کرد تا نانو ژنراتور‌های تریبوالکتریک کاملا طبیعی را ایجاد کنند.

این گروه‌های حاوی نیتروژن و اکسیژن همچنین می‌توانند پیوند‌های هیدروژنی ایجاد کنند، پیوند‌های ضعیفی که در صورت وجود تعداد زیادی از آنها، ماده تثبیت می‌شود. به عنوان مثال، پروتئین کراتین حاوی زنجیره‌ای از اسید‌های آمینه است که پیوند‌های هیدروژنی چندگانه‌ای را تشکیل داده و عامل تقویت کننده مو‌های انسان، ناخن ها، پر‌ها و خز حیوانات می‌شوند.

«ها» اظهار داشت پیوند‌های هیدروژنی همچنین خواص مکانیکی نانو ژنراتور‌های تریبوالکتریک را بهبود می‌بخشند.

از طرف دیگر، مواد زائد زیستی با پیوند هیدروژنی اغلب به رطوبت حساس هستند که بازده تبدیل انرژی آنها را کاهش داده و آنها را برای برخی کاربرد‌ها غیرعملی می‌سازند.

اگرچه سطوحی از پردازش برای کاربرد‌های خاصی مورد نیاز است، مانند مواردی که نیاز به مقاومت در برابر آب دارند، اما زباله‌های زیستی فرآوری نشده مانند بقایای کشاورزی به عنوان مواد تریبومثبت مؤثر واقع شده اند.

حتی یک برگ خشک، زمانی که با پلی تترا فلوئورواتیلن به عنوان ماده تریبومنفی جفت شود، می‌تواند ولتاژ کافی برای تامین انرژی دیود‌های ساطع کننده نور ایجاد کند. 

با وجود این مزایا، نانو ژنراتور‌های تریبوالکتریک که با زباله‌های زیستی کار می‌کنند، هنوز تجاری سازی نشده اند که به اعتقاد محققان کره‌ای دلیل این امر ولتاژ‌های خروجی پایین، دوام ضعیف و عمر مفید کوتاه آنهاست. اما کاربرد‌های خاصی امیدوارکننده هستند، به ویژه مراقبت‌های بهداشتی هوشمند، که به موادی سازگار با بدن انسان نیاز دارند.

 مثلا محققان یک برچسب حسگر هوشمند مبتنی بر کیتوزان ابداع کرده اند که بیماران می‌توانند به طور بالقوه از آن برای برقراری ارتباط غیرکلامی نیاز‌های ساده با پزشکان یا پرستاران استفاده کنند. کاربر وقتی برچسب را روی انگشت قرار می‌دهد، بر اساس یک توالی ولتاژی خاص که معادل حروف الفباست روی آن ضربه می‌زند و به این ترتیب کلمات، هجی می‌شوند.

نانو ژنراتور‌های تریبوالکتریک مبتنی بر مواد زائد همچنین می‌توانند به عنوان حسگر‌های محیطی بلادرنگ استفاده شوند که آلودگی، رطوبت، دما و سطوح pH را تشخیص می‌دهند. 

در یک مطالعه، محققان یک حسگر رطوبت و گاز منحصر به فرد از پوست پیاز، پیازچه و تره فرنگی ساختند. بر خلاف پلیمر‌ها که به طور یکنواخت دارای بار مثبت یا منفی هستند، پوست گیاهان می‌تواند بار‌های متفاوتی بر روی سطوح بیرونی و درونی خود داشته باشد که به آنها قابلیت تبادل الکترون می‌دهد. در این حالت تنها یک ماده برای عملکرد نانو ژنراتور تریبوالکتریک مورد نیاز است.

اگرچه این کاربردها، جالب و خود مواد خام، ارزان هستند، اما فرآیند‌های ساخت بیشتری مورد نیاز است که می‌تواند هزینه دستگاه‌ها را افزایش دهد. اما «ها» معتقد است دستگاه‌های مشتق شده از زباله‌های زیستی روزی قادر خواهند بود با پیشرفته‌ترین TENG‌های فعلی رقابت کنند.

 آن اوایل نیز سلول‌های خورشیدی برای تولید برق مقرون به صرفه نبودند. در دهه ۱۹۸۰، متوسط هزینه تولید سلول‌های خورشیدی حدود ۳۰ دلار در هر وات بود، اما به لطف پیشرفت فناوری در چند دهه گذشته، اکنون به ۰.۵۰ دلار در هر وات کاهش یافته است.

«ها» اظهار داشت: «معتقدم فناوری‌های برداشت انرژی مبتنی بر TENG‌های برپایه زباله‌های زیستی می‌توانند مقرون به صرفه باشند چراکه محققان در سراسر جهان بسیار سخت روی آنها کار می‌کنند.»

وی افزود: این کار شامل بهبود پایداری دستگاه، دوام و راندمان تبدیل انرژی با بررسی ترکیبات مختلف مواد زائد زیستی است.

ممکن است چندسالی طول بکشد تا نانو ژنراتور‌های تریبوالکتریک که فقط با زباله‌های زیستی کار می‌کنند به ابزار اصلی تولید انرژی تبدیل شوند، اما می‌توان تا آن زمان گام‌های مهمی برداشت. برای مثال، بازدهی تبدیل انرژی آنها را می‌توان با ترکیب برخی از اجزای غیرقابل تجزیه زیستی در دستگاه‌ها بهبود بخشید.