منبع عظیم برق که در هوا شناور است/ رویای دیوانه‌وار نیکلا تسلا

مولکول‌های آب می‌توانند بارهای الکتریکی کوچکی را بین خود منتقل کنند و این فرآیندی است که محققان می‌کوشند تا آن را تحت کنترل خود در آورده و الکتریسیته کافی برای استفاده کردن تولید کنند.

کد خبر: ۶۳۵۵۹۹

تاریخ: ۲۵ تير ۱۴۰۲ - ۱۰:۵۰

نیکلا تسلا، فیزیکدان سرشناس، سال‌ها پیش رویای این را در سر داشت که با بهره‌گیری از فرآیندهایی که در ابرهای طوفانی رخ می‌دهد، از رطوبت هوا، الکتریسیته تولید کند و حالا و دهه ها بعد از مرگ او، این ایده در آستانه تحقق است.

هیچ‌کسی در آزمایشگاه نمی‌توانست آنچه که می‌دید را باور کند. یک حسگر رطوبت شروع به تولید سیگنال‌های الکتریکی کرده بود.

جون یائو، از دانشگاه ماساچوست آمهرست دراین باره می‌گوید:« بنا به دلایلی، دانشجویی که با این دستگاه کار می‌کرد، یادش رفته بود تا آن را به برق بزند. داستان از اینجا شروع شد.»

پنج سال از آن زمان می‌گذرد و یائو و همکارانش در حال توسعه فناوری‌ای هستند که می‌تواند الکتریسیته را از هوای مرطوب تولید کند؛ ایده‌ای که از آن با نام هیگروالکتریسیته یاد می‌شود.

ایده هیگروالکتریسیته از کجا آمد

این ایده‌ای است که سال‌ها از آن صحبت بوده. نیکلا تسلا و دیگران، در گذشته تحقیقاتی را در این زمینه انجام داده بودند ولی هرگز به نتایجی امیدوارکننده‌ای دست نیافتند ولی ممکن است این رویه به زودی تغییر کند.

گروه‌های تحقیقاتی متعددی در سراسر دنیا در حال کشف راه‌هایی تازه برای تولید و جمع‌آوری الکتریسیته از مولکول‌های آبی که به صورت طبیعی در هوا شناورند، هستند. این امری شدنی است؛ چرا که مولکول‌های آب می‌توانند بارهای الکتریکی کوچکی را بین خود منتقل کنند و این فرآیندی است که محققان می‌کوشند تا آن را تحت کنترل خود در آورده و الکتریسیته کافی برای استفاده کردن تولید کنند. البته امید آنها بر این است که با این روش میزان الکتریسیته کافی برای کامپیوترهای مینیاتوری و یا سنسورها تولید نمایند. این چشم‌اندازی وسوسه‌انگیز است که شکل جدیدی از انرژی تجدیدپذیر را ایجاد می‌کند که عملا ۲۴ساعت روز و هفت روز هفته ممکن است در اطراف ما شناور باشد.

در سال ۲۰۲۰، یائو و همکارانش مقاله‌ای علمی را منتشر کرده که در آن به توصیف این موضوع پرداخته شده بود که چطور نانوسیم‌های پروتئینی کوچک تولید شده توسط یک باکتری می‌توانند الکتریسیته را از هوا برداشت کنند. مکانیزم دقیق این امر هنوز مورد بحث است ولی به نظر می‌رسد که منافذ ریز این ماده می‌توانند مولکول‌های شناور آب را به دام بیندازند. مولکول‌های آب، در حین سائیده شدن به مواد، می‌توانند آنها را شارژ کنند.

یائو توضیح داده که در چنین سیستمی، بیشتر مولکول‌ها نزدیک به سطح می‌مانند و بار الکتریکی زیادی در آنها رسوب می‌شود و تنها تعداد کمی از مولکول‌ها به اعماق بیشتر نفوذ می‌کنند. این باعث ایجاد اختلاف شارژ بین قسمت‌های بالایی و پایینی در لایه مواد خواهد شد. یائو گفت:« با گذر زمان می‌بینید که جداسازی شارژ اتفاق می‌افتد. این دقیقا همان اتفاقی است که در ابرها رخ می‌دهد. در مقیاسی بزرگتر و دراماتیک‌تر، ابرهای طوفانی بارهای الکتریکی مخالفی را ایجاد می‌کنند که نهایتا به شکل رعد و برق تخلیه خواهد شد.»

این بدان معناست که می‌توان با تاثیرگذاری بر حرکت مولکول‌های آب و ایجاد شرایط مناسب برای جداسازی بار، الکتریسیته تولید کرد. یائو ادامه داد:« این دستگاه می‌تواند به معنای واقعی کلمه در هرنقطه ای از کره زمین کار کند.»

مقاله‌ای که نوک کوه یخی بود

یائو و همکارانش در ماه می سال ۲۰۲۳، مقاله‌ای تکمیلی را منتشر کردند و در آن درباره ایجاد ساختار مشابهی توضیح دادند که با نانوحفره‌ها پر شد بود ولی در آن از مواد مختلفی از تکه‌های اکسید گرافیت و پلیمرها گرفته تا نانوالیاف سلولزی برگرفته از چوب استفاده شده بود. همه این گزینه‌ها با تفاوتهای کوچکی، نتیجه دادند. این بدان معناست که ساختار، مهمتر از خود ماده است.

در آزمایش‌های انجام شده تا به امروز، دستگاه‌هایی باریکتر از یک تار موی انسان، مقدار بسیار کمی الکتریسیته معادل کسری از یک ولت تولید می‌کنند. یائو معتقد است که با فراهم کردن مواد بیشتر و یا اتصال قطعات به یکدیگر می‌توان بارهای مفید بیشتر از چند ولت تولید کرد. حتی می‌توان این کار را با مایعی که برروی سطوح اسپری می‌شود تا یک منبع انرژی فوری فراهم کند، انجام داد.

رشما رائو، مهندس مواد در ایمپریال کالج لندن که در این تحقیق مشارکت نداشت، در این باره گفته:«این واقعا هیجان‌انگیز است. انعطاف‌پذیری زیادی در نوع موادی که می‌توان مورد استفاده قرار داد وجود دارد.»

البته رائو هشدار داده که تصور بهره‌گیری از چنین فناوری‌ای برای تامین انرژی کل ساختمان‌ها و یا ماشین‌هایی مانند اتومبیل‌ها، ممکن است واقع‌بینانه نباشد و شاید بتوان از رطوبت برای تامین انرژی اینترنت دستگاه‌هایی مثل سنسورها یا وسایل الکترونیکی پوشیدنی کوچک بهره برد.

مدعیان به صف می‌شوند

تیم تحقیقاتی یائو تا به اینجا تنها تیمی هستند که بر روی هوای مرطوب به‌عنوان یک منبع بالقوه انرژی مشغول تحقیقند. در سال ۲۰۲۰، گروه دیگری موفق شده بود تا با عبور دادن هوای مرطوب از بین دو قطعه فلز، برق برداشت کند. هوای مرطوب هنگامی که از روی فلز عبور می‌کرد، باری را در آن ایجاد کرده بود.

این پدیده اولین بار در سال ۱۸۴۰ ثبت شد. در آن زمان یک راننده قطار در معدن زغال سنگی در شمال نیوکاسل، هنگام کار کردن با موتور، احساس سوزن سوزن شدن عجیبی را در دستان خود حس کرد. کمی بعد او متوجه شد که جرقه کوچکی بین انگشت او و یکی از اهرم‌های خودرو ایجاد شده. محققانی که این اتفاق را بررسی کردند، به این جمع‌بندی رسیدند که مالش بخار به فلز دیگ موتور باعث تجمع بار شده بود.

کالین پرایس، محقق علوم جوی که یکی از نویسندگان مقاله سال ۲۰۲۰ است گفته که بارهای تولیدشده در آزمایش‌های آزمایشگاهی، با استفاده از قطعات کوچک فلز بسیار کم بوده. با این وجود او گفته که او و همکارانش در تلاش برای بهبود این سیستم هستند.

یکی از محدودیت‌های موجود ممکن است این باشد که آنها به رطوبت ۶۰% یا بیشتر نیاز دارند؛ در شرایطی که دستگاه یائو و همکارانش، در رطوبت حدودا ۲۰درصدی شروع به تولید الکتریسیته کرده است.

از سوی دیگر تیمی در پرتغال در حال کار کردن بر روی پروژه‌ای با بودجه اتحادیه اروپا به نام پروژه CATCHER هستند که هدف از آن مهار کردن هوای مرطوب به‌عنوان یک منبع انرژی است. اسویتلانا لیوبچیک، دانشمند مواد در دانشگاه لوسوفونای پرتغال مسئول هماهنگی این پروژه و موسس شرکت Cascata Chuva در این رابطه گفته:« فکر می‌کنم نمونه اولیه مهندسی تا پایان سال جاری آماده خواهد شد.»

آندری لیوبچیک، پسر او که او نیز یکی از بنیانگذاران این شرکت است، ویدیویی از یک لامپ LED کوچک که خاموش و روشن می‌شود را منتشر کرده که در آن او یک دیسک خاکستری به قطر تقریبی ۴ سانتی‌متری که از اکسید زیرکونیوم ساخته شده نگه داشته و توضیح می‌دهد که این ماده می تواند مولکول‌های آب را از هوای مرطوب جذب کرده و به دام بیندازد و آنها را وادار به عبور از کانال‌های کوچک کند. طبق گفته او، این روش بار الکتریکی‌ای تولید می‌کند که برای تامین ولتاژ ۱.۵ ولت از یک دیسک کافی است و بهره‌گیری از دو دیسک، برای روشن کردن یک لامپ LED کافی خواهد بود. طبق گفته او، با اضافه کردن قطعات بیشتر به صورت زنجیروار حتی می‌توان به خروجی‌های بزرگتری رسید.

گرچه بخشی از اطلاعات در مورد این کار به صورت آنلاین در دسترس است ولی جزئیات کامل در مورد آخرین آزمایش‌های این تیم هنوز منتشر نشده است. اعضای این گروه نیز از به اشتراک گذاشتن موادی که نشان می‌دهد دیسک‌ها چطور به LED متصل شده و برای تامین انرژی آن به کار گرفته می‌شوند خودداری کرده‌اند.

هنوز سوالات زیادی در مورد مکانیزم نهفته در پشت همه این تلاش‌های هیگروالکتریکی وجود دارد و به گفته رائو هنوز تحقیقات زیادی باید در زمینه اساس این کار انجام شود. در این میان بحث مسائل تجاری‌سازی نیز مطرح است. طبق گفته سارا جردن، مهندس عمران دانشگاه مک گیل کانادا که مبادلات زیست محیطی و اقتصادی در تصمیمات انرژی را مورد مطالعه قرار می‌دهد، هرکسی که به دنبال تجارت‌سازی چنین تکنولوژی‌ای است، باید توان تولید کافی و رقابتی بودن هزینه‌ها در مقایسه با دیگر انرژی‌های تجدیدپذیر را ثابت کند.

فناوری‌های تثبیت شده‌تر در انرژی‌های تجدیدپذیر مثل انرژی باد و خورشید، شروع خوبی داشته‌اند و احتمالا در دهه آینده به مراتب مهمتر از این خواهند بود؛ در زمانی که فاصله گرفتن و حذف سوخت‌های فسیلی بیش از پیش ضروری خواهد بود.

با وجود چالش‌های پیش رو، رائو بر این باور است که پرتو امیدی وجود دارد که این مواد انرژی‌زای جدید از تحقیقات در زمینه انرژی هیگروالکتریسیته پدیدار شوند.