دسته: انرژی

محققان دانشگاه فلوریدا آتلانتیک (FAU) پس از بررسی داده‌های جریان اقیانوسی مربوط به سه دهه گذشته، مکان‌های ایده‌آل برای تولید انرژی تجدیدپذیر را شناسایی کرده‌اند. یک نشریه تحقیقاتی اعلام کرد که ساحل شرقی فلوریدا یکی از مکان‌هایی است که می‌تواند بیش از ۲۵۰۰ وات برق در هر متر مربع تولید کند.

با توجه به اینکه جهان به دنبال حذف سوخت‌های فسیلی است، علاقه فزاینده‌ای به بررسی راه‌های تولید انرژی پاک وجود دارد. در حالی که نیروگاه‌های بادی و خورشیدی با سرعت بی‌سابقه‌ای در حال نصب هستند، اما با مشکلات متناوب نیز مواجه هستند – جایی که هیچ باد یا نوری تولید انرژی را برای مدت طولانی متوقف نمی‌کند.

از سوی دیگر، جریان‌های اقیانوسی تقریباً دائمی هستند و در صورت امکان می‌توانند به طور مداوم برق تأمین کنند. پیش از این گزارش شده بود که چگونه رویکردهای مختلفی برای بهره‌برداری از این منبع انرژی پاک در حال توسعه است. هنگامی که این فناوری به بلوغ برسد، ما هنوز باید بدانیم که آن را برای حداکثر تأثیر کجا مستقر کنیم.

این شکافی است که یک تیم تحقیقاتی در FAU به دنبال رفع آن بود.

سه دهه داده

محققان به داده‌های جمع‌آوری‌شده از برنامه جهانی شناورهای اداره ملی اقیانوسی و جوی (NOAA) روی آوردند. این برنامه با استفاده از ۱۲۵۰ شناور ردیابی‌شده توسط ماهواره، داده‌های جریان اقیانوسی را جمع‌آوری کرده و ۴۳ میلیون نقطه داده را بین مارس ۱۹۸۸ تا سپتامبر ۲۰۲۱ جمع‌آوری کرده است.

محققان در مطالعه خود بر روی چهار منطقه – آسیای جنوب شرقی، آفریقای جنوبی، برزیل، گویان فرانسه و جنوب شرقی ایالات متحده – تمرکز کردند تا آنچه را که «جامع‌ترین ارزیابی جهانی از انرژی جریان اقیانوسی تا به امروز» می‌نامند، تعیین کنند.

آنها دریافتند که آفریقای جنوبی و ساحل شرقی فلوریدا بالاترین چگالی توان ۲۵۰۰ وات در متر مربع را برای تولید انرژی تجدیدپذیر دارند. کازموس گزارش داد که این ۲.۵ برابر بیشتر از چیزی است که صنعت باد به عنوان منبع عالی برای راه‌اندازی نیروگاه توصیف می‌کند.

• تولید برق از الکل – اولین نیروگاه تبدیل نیشکر به انرژی پاک

جریان‌های اقیانوسی ذخایر عظیمی از انرژی تجدیدپذیر هستند

در حالی که فلوریدا و آفریقای جنوبی ممکن است در صدر جدول قرار داشته باشند، این مطالعه ذخایر عظیمی از انرژی تجدیدپذیر را در سایر نقاط جهان نیز آشکار کرده است. مناطقی با چگالی توان بالا که بیش از 2000 وات برق در هر متر مربع در مناطق دیگر ساحل شرقی ایالات متحده یافت شده است و تا کارولینای شمالی امتداد دارد.

چگالی‌های توان مشابهی در امتداد سواحل شرقی و غربی آفریقا مشاهده شد و کشورهایی مانند سومالی، تانزانیا، کنیا، ماداگاسکار و آفریقای جنوبی را به مکان‌های بالقوه برای تولید مقادیر زیادی انرژی تجدیدپذیر تبدیل کرد. در میان مناطق مورد مطالعه، محققان دریافتند که مناطق با چگالی توان بالا حدود 190،000 مایل مربع (490،000 کیلومتر مربع) از اقیانوس را پوشش می‌دهند و سطح توان آنها بین 500 تا 1000 وات در هر متر مربع متغیر است.

این داده‌ها همچنین نشان داد که جریان‌های اقیانوسی دارای تغییرات فصلی در سطح توان هستند و آب‌های کم‌عمق در تابستان سطح توان بالاتری را نشان می‌دهند. عواملی مانند سرعت جریان، عمق آب و فاصله از ساحل تعیین می‌کنند که آیا یک مکان برای برداشت جریان‌های اقیانوسی مناسب است یا خیر.

محققان به کاستی‌های مطالعه خود اذعان می‌کنند، چرا که مسائلی مانند برخورد احتمالی حیوانات، تجمع ناخواسته موجودات زنده روی تجهیزات، از تیغه‌ها یا تداخل الکترومغناطیسی از کابل برق که می‌تواند استفاده از این فناوری را محدود کند، در نظر نمی‌گیرد. پیچیدگی و هزینه‌های اجرای این فناوری در مقیاس بزرگ نیز از محدودیت‌های آن است، اما این مطالعه گزینه‌هایی را در مورد چگونگی تأمین انرژی جهان با انرژی پاک‌تر ارائه می‌دهد. گزینه هایی که در نهایت می توانند دو و نیم برابر توربین های بادی انرژی تولید کنند.

در یک ابتکار پیشگامانه، گروه فناوری فنلاندی Wärtsilä با Energetica Suape II S.A.، یک شرکت انرژی برزیلی که اکثریت سهام آن متعلق به Grupo Econômico 4M است، برای آزمایش یک راهکار نوآورانه انرژی پاک، به این شرکت پیوسته است. هدف از این همکاری، نشان دادن امکان استفاده از الکل (اتانول)، که عمدتاً از نیشکر تولید می‌شود، برای تولید برق در مقیاس بزرگ است.

این آزمایش در نیروگاه Suape II در رسیف، برزیل انجام خواهد شد و گامی مهم در کاوش سوخت‌های زیستی به عنوان منابع انرژی پایدار است.

اولین نیروگاه اتانول جهان

کارلوس آلبرتو منصور فیلیو، یکی از سهامداران Grupo Econômico 4M، این همکاری را برای ارائه راهکارهای انرژی پاک‌تر و قابل اعتمادتر آغاز کرد. او در مورد تعهد مشترک به نوآوری و پایداری که Wärtsilä را به همکار مناسبی برای این سرمایه‌گذاری تبدیل کرده است، اظهار داشت.

انتظار می‌رود این پروژه شامل چیزی باشد که می‌تواند به اولین موتور اتانول‌سوز جهان تبدیل شود که برای تولید برق در مقیاس بزرگ طراحی شده است و آزمایش آن قرار است در آوریل ۲۰۲۶ آغاز شود و پیش‌بینی می‌شود که طی دو سال تا ۴۰۰۰ ساعت کار کند.

اتانول مدت‌هاست که به عنوان عنصر اصلی چشم‌انداز انرژی برزیل شناخته می‌شود؛ این کشور بزرگترین تولیدکننده و مصرف‌کننده اتانول از نیشکر در سطح جهان است. با این حال، کاربرد آن در تولید برق تاکنون به طور کامل مورد بهره‌برداری قرار نگرفته است.

مشارکت بین Wärtsilä و Energetica Suape II با ارائه آزمایش‌های گسترده برای ارزیابی چگونگی ادغام الکل در سیستم برق برزیل، به دنبال تغییر این وضعیت است. آژانس بین‌المللی انرژی بر اهمیت روزافزون سوخت‌های زیستی در ترکیب انرژی جهانی تأکید می‌کند.

سناریوی انتشار خالص صفر تا ۲۰۵۰ این آژانس نشان می‌دهد که برای دستیابی به اهداف اقلیمی، مصرف جهانی سوخت‌های زیستی برای تولید برق باید تا سال ۲۰۳۰ تقریباً دو برابر شود.در سال ۲۰۲۳، سوخت‌های زیستی تقریباً ۷۰۰ تراوات ساعت برق تولید کردند که پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۰ به تقریباً ۱۲۵۰ تراوات ساعت افزایش یابد. این تغییر برای تکمیل منابع انرژی تجدیدپذیر و افزایش قابلیت اطمینان سیستم بسیار مهم است.

• کشف لرزش های طبیعی ویروسی با استفاده از نور

تبدیل نیشکر به برق

خوزه فاستینو کاندیدو، مدیر ارشد فناوری در Energetica Suape II، بر اهمیت این پروژه تأکید کرد. وی گفت: “این ابتکار با هدف تغییر روایت پیرامون الکل در تولید برق انجام شده است و ما امیدواریم پتانسیل آن را از طریق آزمایش‌های گسترده نشان دهیم.”

وی همچنین خاطرنشان کرد که این تلاش با همکاری Wärtsilä و حمایت Business Finland، آژانس دولتی فنلاند که از برنامه WISE (انرژی پایدار گسترده و هوشمند) حمایت مالی می‌کند، امکان‌پذیر شده است. دولت فدرال برزیل پیش از این با گنجاندن سوخت زیستی در حراج ظرفیت انرژی ذخیره که قرار است ژوئن ۲۰۲۵ برگزار شود، ادغام الکل در چارچوب انرژی خود را آغاز کرده است.

منصور مزایای حمایت از فناوری‌های تولید برق مبتنی بر الکل را برجسته کرد و اظهار داشت که این فناوری می‌تواند انرژی قابل اعتماد و مقرون به صرفه‌ای را برای مردم برزیل فراهم کند. آندرس لیندبرگ، رئیس شرکت انرژی وارتسیلا، به تأثیر بالقوه این ابتکار بر کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و افزایش امنیت انرژی اشاره کرد.

او توضیح داد: “اتانول به عنوان یک گزینه محلی در دسترس است که می‌تواند نقش مهمی در کربن‌زدایی از بخش برق ایفا کند. این ماده به راحتی قابل حمل است و می‌تواند به عنصر کلیدی راه‌حل‌های انرژی قابل دسترس و مقیاس‌پذیر تبدیل شود.”

به عنوان بخشی از این همکاری، شرکت Wärtsilä خدمات بهره‌برداری و نگهداری را تحت توافقنامه بهره‌برداری و نگهداری امضا شده در سه‌ماهه چهارم سال 2024 ارائه خواهد داد که در طول قرارداد خرید برق با Energetica Suape II تا پایان سال 2026 معتبر خواهد بود.

نتیجه این آزمایش می‌تواند زمینه را برای پذیرش گسترده‌تر الکل به عنوان یک منبع انرژی پایدار در چشم‌انداز رو به رشد برق برزیل فراهم کند.

محققان از زیست توده ضایعات پوست میوه دارابی برای تامین انرژی دستگاه های الکتریکی کوچک و نظارت بر حرکات بیومکانیکی استفاده کرده اند. این روش توسط محققان دانشگاه Illinois Urbana-Champaign پس از تجزیه و تحلیل ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی لایه‌ها ایجاد شد.

تیم تحقیقاتی از خواص پوست برای ایجاد دستگاه هایی استفاده کرد که انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می کند و به عنوان حسگرهای حرکتی خود کار می کند.

دو بخش اصلی پوست میوه دارابی وجود دارد – یک لایه بیرونی نازک و یک لایه داخلی ضخیم و سفید. یی چنگ وانگ، یکی از نویسندگان این مطالعه، استادیار دپارتمان علوم غذایی و تغذیه انسان، گفت: “قسمت سفید نرم است و وقتی آن را فشار می دهید مانند یک اسفنج احساس می شود.”

مزیت ساختار متخلخل طبیعی و اسفنجی پوست

برخی از افراد از پوست میوه دارابی برای استخراج ترکیبات اسانس یا پکتین استفاده کرده‌اند، اما ما می‌خواستیم از ساختار طبیعی متخلخل و اسفنجی پوست استفاده کنیم.

پوملو که معمولاً در جنوب شرقی و شرق آسیا رشد می کند، یک مرکبات بزرگ با پوست بسیار ضخیم است که معمولاً دور ریخته می شود و در نتیجه مقدار قابل توجهی ضایعات غذایی ایجاد می شود. یک میوه پوملو معمولاً 1 تا 2 کیلوگرم (2 تا 4.5 پوند) وزن دارد و پوست آن 30 تا 50 درصد است.

محققان از زیست توده پوست میوه دارابی و یک فیلم پلاستیکی (پلی آمید) استفاده کردند

وانگ افزود: “اگر بتوانیم به جای دور انداختن پوست، آن را به محصولاتی با ارزش بالاتر بازگردانیم، نه تنها می‌توانیم ضایعات حاصل از تولید، مصرف و آبمیوه‌سازی پوملو را کاهش دهیم، بلکه می‌توانیم ارزش بیشتری از ضایعات غذایی و کشاورزی ایجاد کنیم.”

محققان پوست را از گوشت جدا کردند و بیرونی ترین لایه را جدا کردند. به گفته محققان، پوست سفید ضخیم و اسفنجی باقیمانده به قطعات کوچکتر بریده شد و برای حفظ ساختار سه بعدی و متخلخل منحصر به فرد خود در حالت انجمادی خشک شد و سپس در شرایط رطوبتی مختلف نگهداری شد.

• تولید سلول های جدید تبدیل گرما به الکتریسیته در آمریکا

محققان از زیست توده پوست میوه دارابی و یک لایه پلاستیکی (پلی‌آمید) به عنوان لایه‌های تریبوالکتریک استفاده کردند که در صورت وجود نیروی خارجی در تماس هستند. آنها یک الکترود فویل مسی را به هر لایه متصل کردند و ارزیابی کردند که دستگاه به دست آمده چقدر می تواند انرژی مکانیکی خارجی را به الکتریسیته تبدیل کند.

این مطالعه نشان می دهد که ضربه زدن به این دستگاه های تریبوالکتریک مبتنی بر پوست میوه دارابی با انگشت می تواند حدود 20 دیود ساطع کننده نور (LED) را روشن کند.

ماشین حساب یا ساعت ورزشی را می توان روشن کرد

آنها همچنین نشان دادند که یک ماشین حساب یا ساعت ورزشی می تواند تنها با این نیروهای مکانیکی، بدون الکتریسیته خارجی، هنگامی که با یک سیستم مدیریت توان با یک واحد ذخیره انرژی یکپارچه شود، تغذیه شود.

محققان نشان داده‌اند که این برنامه دارای پتانسیل قوی برای تبدیل انرژی تلف شده به الکتریسیته مفید است. نانو ژنراتور تریبوالکتریک متخلخل مبتنی بر مواد متخلخل حاصل از زیست توده پوست میوه دارابی این مطالعه (PP-TENG) دارای ولتاژ مدار باز 58 ولت و 254.8 میلی‌وات بر متر مربع تراکم حداکثر توان بود.

وانگ گفت: “ما همچنین دریافتیم که به لطف ساختار طبیعی متخلخل پوست میوه دارابی، دستگاه‌های تریبوالکتریک مبتنی بر آن می‌توانند به نیرو و فرکانس نیرو بسیار حساس باشند. وانگ توضیح داد که این الهام بخش ما برای توسعه دستگاه‌های حسی است که می‌توانند به بدن انسان برای نظارت بیومکانیکی متصل شوند.”

به گفته محققان، زمانی که حسگرهای اثبات مفهوم محققین به قسمت‌های مختلف بدن متصل شدند، قادر به نظارت بر حرکات بیومکانیکی مانند حرکات مفاصل و الگوهای راه رفتن بودند.

این به این دلیل بود که حرکات قسمت‌های مختلف بدن می‌تواند منجر به برق‌رسانی تماس بین لایه‌های تریبوالکتریک شود و سیگنال‌های الکتریکی متمایز مربوط به حرکات مختلف را تولید کند. طبق یک بیانیه مطبوعاتی، این قابلیت دارای پتانسیل بالایی برای ارائه بینش های ارزشمند برای متخصصان مراقبت های بهداشتی و توانبخشی فیزیکی است.

محققان آکادمی علوم چین برای اولین بار به طور تجربی ابر سیالیت ضد جریان (CSF) را نشان دادند. این یک حالت کوانتومی عجیب و غریب است که در آن دو جزء (به عنوان مثال، انواع مختلف اتم ها یا اسپین ها) در جهت مخالف با همبستگی کامل جریان دارند. علیرغم اینکه هر دو جزء فوق سیال هستند، سیستم به عنوان یک کل ثابت و تراکم ناپذیر باقی می ماند.

به گفته محققان، CSF ابزار مهمی برای مطالعه و شبیه سازی سیستم های کوانتومی پیچیده در محیط های فوق سرد، به ویژه برای کاوش در فازهای کوانتومی جدید و پدیده های مرتبط با اسپین خواهد بود.

آوردن CSF از تئوری به واقعیت

ابر سیالیت ضد جریان مفهوم جدیدی نیست. دانشمندان در دو دهه گذشته از این فاز کوانتومی اطلاع داشتند. این در واقع بسط یافته های مدل بوز-هابارد است، مدلی نظری که در سال 1963 برای توضیح رفتار بوزون ها در یک سیستم شبکه ارائه شد.

برخی دیگر از مدل‌های ریاضی نیز CSF را تئوری می‌کنند، اما تاکنون دانشمندان به دلیل چندین چالش فنی نمی‌توانستند این مرحله را در یک مجموعه آزمایشی مشاهده کنند.

نویسندگان این مطالعه، توضیح می دهند: “تحقق و شناسایی این فاز به‌طور تجربی به دلیل الزامات سخت‌گیرانه برای یک راه‌اندازی واحد، از جمله آماده‌سازی حالت بدون نقص، حداقل گرمایش در طول دستکاری‌های منسجم، و تشخیص فازها توسط چرخش و مکان، چالش‌ برانگیز بوده است.”

برای دستیابی به فاز مخفی CSF، محققان یک سیستم دو جزئی را با استفاده از اتم های فوق سرد روبیدیم-87 با دو حالت اسپین متفاوت تهیه کردند. سپس اتم ها در شبکه ای از نور لیزر قرار گرفتند که اتم ها را در موقعیت های خاصی به دام انداخت.

• تبدیل روغن سوخته خوراکی به سوخت دیزل قابل بازیافت

این منجر به تشکیل یک عایق اسپین موت شد، ماده ای جذاب که در تئوری قرار است الکتریسیته را هدایت کند اما در واقعیت اینطور نیست. این به این دلیل است که برهمکنش های قوی بین اسپین های ذرات آن باعث می شود که آنها موضعی شوند و از حرکت آزادانه الکترون ها جلوگیری کنند.

با تنظیم برهمکنش بین اتم‌ها در این سیستم در دمای یک نانوکلوین (273.15- درجه سانتیگراد یا -459.67 درجه فارنهایت)، محققان از حالت یخ زده (عایق اسپین موت) به حالتی که دو نوع اتم در آن جریان دارند تغییر مکان دادند. جهات مخالف در حالی که کاملاً متعادل باقی می مانند، که ابر سیالیت جریان مخالف را نشان می دهد.

تأیید جریان فوق سیال

برای تأیید اینکه آیا سیستم واقعاً وارد فاز CSF شده است یا خیر، نویسندگان مطالعه از یک میکروسکوپ گاز کوانتومی استفاده کردند – یک ابزار تصویربرداری بسیار پیشرفته که به دانشمندان اجازه می‌دهد اتم‌های منفرد را در یک شبکه مشاهده کنند.

آنها همبستگی بین موقعیت‌ها (و اسپین‌های) مختلف اتم‌ها را اندازه‌گیری کردند و همبستگی‌های ضد جفت را یافتند، یعنی وجود اتم‌ها در حالت‌های مخالف.

نویسندگان مطالعه خاطرنشان کردند: “همبستگی های ضد جفت، مشخصه CSF، با اندازه گیری ها در هر دو فضای واقعی و تکانه زیر یک میکروسکوپ گاز کوانتومی تایید شد.”

این مشاهدات تأیید می کند که وقتی یک اتم در یک جهت حرکت می کند، اتم دیگری در حالت اسپین مخالف در جهت مخالف حرکت می کند. علاوه بر این، محققان همبستگی‌های دوربرد را در حالت‌های اسپین مشاهده کردند، با حفظ انسجام سیستم در کل شبکه – یکی دیگر از شاخص‌های قوی فاز CSF.

کشف ابر سیال در سال 1930 منجر به توسعه بسیاری از فن آوری های هیجان انگیز کم سرما، مانند خنک کننده لیزری شد. امیدواریم CSF مسیر را برای بسیاری از کاربردهای کوانتومی پیشگامانه هموار کند.

شرکت آمریکایی KULR با تعریف مجدد چشم انداز انرژی، گام بزرگی در زمینه انرژی همجوشی برداشته است. KULR اخیراً پرده برداری کرد که در حال طراحی و تولید کاتدهای فیبر کربن تخصصی برای یک شرکت برجسته همجوشی هسته ای است.

این کاتدها در راکتورهای کوچک مدولار (SMR) ادغام خواهند شد و گامی حیاتی در جهت دستیابی به انرژی پاک و فراوان از طریق همجوشی هسته ای هستند. همجوشی هسته ای که «جام مقدس» انرژی پاک نامیده می‌شود، فرآیندی است که تولید انرژی ستاره‌ها را تکرار می‌کند.

بر خلاف شکافت هسته ای سنتی، همجوشی انتشار گازهای گلخانه ای مضر یا زباله های رادیواکتیو طولانی مدت ایجاد نمی کند. در عوض، پتانسیل عرضه بی حد و حصر انرژی پاک را ارائه می دهد.

تقاضا برای انرژی پاک به سرعت در حال افزایش است

این امر عمدتاً ناشی از ظهور مراکز داده است که انقلاب هوش مصنوعی را تقویت می کند. این مراکز داده برای کار کردن به انرژی زیادی نیاز دارند.

این شرکت در بیانیه‌ای اعلام کرد: “طبق گزارش گلدمن ساکس، تقاضای انرژی مرکز داده در حال حاضر 1 تا 2 درصد از تقاضای جهانی را تشکیل می‌دهد و قرار است تا سال 2030 دو برابر شود – که عمدتاً ناشی از تقاضا برای برنامه‌های کاربردی مبتنی بر هوش مصنوعی است.”

انتظار می رود راه حل های مدیریت حرارتی پیشرفته KULR نقشی حیاتی در توسعه منابع انرژی پایدار ایفا کند که قادر به پاسخگویی به این تقاضای فزاینده هستند.

این شرکت افزود: “با همکاری با شرکت‌های پیشرو در گداخت هسته‌ای، KULR قصد دارد امکانات فناوری همجوشی را برای برآورده کردن نیازهای انرژی فردا و در عین حال رسیدگی به تغییرات آب و هوا، ارتقا دهد.”

کاتدهای فیبر کربنی KULR با عملکرد رکورد

کاتدهای فیبر کربن KULR دارای سابقه اثبات شده ای هستند. آنها در ابتدا برای کاربردهای سخت در هوافضا و دفاع طراحی شدند. این شامل استفاده در ماموریت های فضایی می شود که در آن آنها باید در شرایط شدید مقاومت کنند.

مایکل مو، مدیر عامل KULR، افزود: “تخصص KULR در مهندسی اثبات شده در فضا به طور منحصر به فردی ما را برای حمایت از راه‌حل‌های انرژی حیاتی در مأموریت‌ها قرار می‌دهد. ما با استفاده از مواد پیشرفته خود در گداخت هسته‌ای، گام‌های معناداری در جهت رفع نیازهای حیاتی انرژی ایالات متحده و پیشبرد اهداف گسترده‌تر آن در امنیت انرژی و پایداری برمی‌داریم.”

همین ویژگی‌های با کارایی بالا، آنها را برای محیط چالش‌برانگیز سیستم‌های همجوشی هسته ای مبتنی بر لیزر مناسب می‌سازد.

این شرکت توضیح داد: “کاتدهای سفارشی طراحی شده توسط KULR در یک سیستم همجوشی هسته‌ای مبتنی بر لیزر برای راکتورهای کوچک مدولار، یک فناوری نوظهور با پتانسیل ارائه انرژی همجوشی هسته ای مقرون‌به‌صرفه و قابل اعتماد، پیاده‌سازی خواهند شد.”

• قایقی با توانایی تولید برق برای 100 ها خانه از طریق باد و انرژی خورشیدی

این رویکرد نوآورانه از لیزرهای پرقدرت برای تحریک واکنش های همجوشی استفاده می کند. این یک راه امیدوارکننده برای دستیابی به انرژی همجوشی تجاری قابل دوام است.

این شرکت اظهار داشت: “این کاربرد جدید فناوری KULR در همجوشی هسته ای مبتنی بر لیزر برای راکتورهای کوچک مدولار، رهبری این شرکت را در فضای مدیریت انرژی و همچنین تعهد آن به پیشبرد انتقال انرژی جهانی را تقویت می‌کند.”

سرمایه گذاری لیزر در انرژی همجوشی

قابل ذکر است، استفاده از فناوری لیزر در حوزه انرژی همجوشی در چند ماه گذشته به طور قابل توجهی افزایش یافته است. اخیراً یک شرکت بریتانیایی به نام Tokamak Energy فاش کرده است که این یک فناوری جدید اندازه گیری لیزری است.

این سیستم تداخل سنج پراکندگی جدید مبتنی بر لیزر، چگالی سوخت هیدروژن را در پلاسما اندازه گیری می کند. انتظار می رود که این به نوبه خود واکنش های همجوشی را حفظ کرده و انرژی قابل اعتماد را به شبکه تحویل دهد.

در همین حال، دولت ها و شرکت ها در سراسر جهان نیز سرمایه قابل توجهی را برای تحقیقات انرژی همجوشی تزریق می کنند. اکنون، KULR از طریق تخصص خود در مواد پیشرفته و مدیریت حرارتی، قصد دارد انتقال جهانی به سمت منابع انرژی پاک تر را تسریع بخشد.

محققان دانشگاه کنکوردیا در کبک راهی برای برداشت انرژی از فرآیند فتوسنتز جلبک ها با هدف ارائه یک منبع انرژی پایدار ایجاد کرده اند. تیم آزمایشگاه میکروسیستم های نوری-زیست دانشگاه با معلق کردن جلبک ها در یک محلول تخصصی و نگهداری آن در سلول های کوچک قدرت، انرژی تولید می کند.

مدل آنها الکترون ها را برای تولید الکتریسیته میگیرد و آن را نه تنها انتشار صفر، بلکه یک فناوری انتشار کربن منفی میکند. به گفته محققان، هنگامی که سلول های قدرت میکرو فتوسنتزی (µPSC) آنها به درستی راه اندازی شوند، ظرفیت تولید انرژی کافی برای اجرای گجت های بسیار کم و کم مصرف، مانند حسگرهای اینترنت اشیا (IoT) را دارند.

این تیم در مقاله تحقیقاتی خود گفت: “ادغام μPSCها در قلمرو منابع انرژی پایدار نشان دهنده یک گام مهم رو به جلو است که به طور بالقوه بر بخش های مختلف وابسته به راه حل های کم مصرف تاثیر می گذارد.”

مهار قدرت جلبک

در راه اندازی μPSC، یک غشای تبادل پروتون به شکل لانه زنبوری، محفظه های آند و کاتد سلول نیرو فتوسنتزی میکرو را تقسیم می کند.

محققان میکروالکترودهایی را در دو طرف غشاء ساختند تا بارهایی را که جلبک ها در طول فتوسنتز آزاد می کنند جمع آوری کنند. هر محفظه بسیار کوچک است و ابعاد آن فقط دو سانتی متر در دو سانتی متر در چهار میلی متر است.

محفظه آند حاوی یک محلول دو میلی لیتری است که در آن جلبک ها معلق هستند، در حالی که کاتد با فروسیانید پتاسیم، نوعی گیرنده الکترون، پر شده است.

به گفته محققان، هنگامی که جلبک ها به دلیل فتوسنتز شروع به انتشار الکترون می کنند، الکترون ها از طریق الکترودهای موجود در غشاء جمع شده و هدایت می شوند و در نتیجه جریان ایجاد می شود.

با این حال، پروتون ها از غشاء عبور کرده و وارد کاتد می شوند و فروسیانید پتاسیم را اکسید و کاهش می دهند. این فرآیند همچنین بدون نور مستقیم خورشید عمل می کند، البته با شدت کمتر.

پانیرسیلوام، کاندیدای دکترا در دانشگاه و یکی از نویسندگان این مطالعه، در بیانیه ای گفت: “درست مانند انسان ها، جلبک ها دائماً نفس میکشند، اما دی اکسید کربن را جذب کرده و اکسیژن آزاد میکنند. آنها به دلیل دستگاه فتوسنتز خود، در طول تنفس نیز الکترون آزاد می کنند.تولید برق متوقف نشده است. الکترون ها به طور مداوم برداشت می شوند.”

• ژل الکتریکی که با حرکت بدن الکتریسیته تولید میکند

کارآمد و سازگار با محیط زیست

محققان عملکرد سلول های قدرت میکرو فتوسنتزی (μPSCs) را در پیکربندی های مختلف آزمایش کردند. در یک مجموعه، پیکربندی ها شامل دو میکروPSC به صورت سری با سه مجموعه موازی، سه سری با دو مجموعه به صورت موازی، چهار به صورت سری با دو مجموعه دیگر به صورت سری و هر دو مجموعه به صورت موازی، و پنج به صورت سری با یکی به صورت موازی بود.

به گفته محققان، تغییرات عملکرد برای ولتاژ، جریان و توان به دلیل تفاوت های ساخت و تغییر شرایط عادی شد. آزمایش ها نشان داد که ترکیب آرایه های سری و موازی سلولهای قدرت میکرو فتوسنتزی (µPSCs) نسبت به استفاده از اتصالات سری یا موازی، توان بیشتری تولید میکند.

این تیم ناتوانی سیستم را در رقابت با روشهای تولید انرژی جایگزین، مانند سلول های خورشیدی، تصدیق میکند. یک سلول برق میکرو فتوسنتزی تنها حداکثر ولتاژ پایانه 1.0 ولت دارد.

با این حال، با تحقیق و توسعه کافی، از جمله فناوری های یکپارچه سازی با کمک هوش مصنوعی، محققان بر این باورند که این فناوری میتواند در آینده به یک منبع انرژی قابل دوام، مقرون به صرفه و پاک تبدیل شود.

این تیم تاکید میکند که سیستم آنها از هیچ گاز خطرناک یا میکروفیبر مورد نیاز برای فناوری ساخت سیلیکون که سلول های فتوولتائیک به آن متکی هستند، استفاده نمیکند.

پاکیراسامی، استاد دپارتمان مهندسی مکانیک، صنایع و هوافضا و نویسنده مسئول مقاله گفت: “علاوه بر این، از بین بردن تراشه های کامپیوتری سیلیکونی کار آسانی نیست. ما از پلیمرهای زیست سازگار استفاده می کنیم، بنابراین کل سیستم به راحتی قابل تجزیه است و تولید آن بسیار ارزان است.”

تقاضا برای دستگاه های انعطاف پذیر در حال افزایش است و این الهام بخش محققان به آزمایش موادی است که آینده الکترونیک را شکل میدهند، از جمله دستگاه های پوشیدنی و روباتیک نرم.

تیمی از محققان مؤسسه ملی علوم مواد (NIMS)، دانشگاه هوکایدو و دانشگاه داروسازی میجی، یک ژل الکتریکی تولید کرده اند که میتواند به طور پایدار یک بار الکتریکی بزرگ را حفظ کند.

سپس این تیم این ژل را با الکترودهای بسیار انعطاف پذیر ترکیب کردند تا حسگری ایجاد کنند که قادر به درک ارتعاشات فرکانس پایین (به عنوان مثال ارتعاشات ایجاد شده توسط حرکت انسان) و تبدیل آنها به سیگنال های ولتاژ خروجی است. این دستگاه ممکن است به طور بالقوه به عنوان یک سنسور مراقبت های بهداشتی پوشیدنی استفاده شود.

محققان ژاپنی راه را (یک شاهکار شیمی) برای توسعه کلاس خاصی از مایعات و ژل الکتریکی هموار کردند: Alkyl-π.

کلاس جدیدی از مایع و ژل: آلکیل-π

دکتر تاکاشی ناکانیشی توضیح میدهد که «مایعات آلکیل-π و ژل های آلکیل-π به عنوان نسل جدیدی از مواد نرم کاربردی که عملکردهای نوری الکترونیکی مانند درخشندگی، رسانایی نوری، خواص الکتروکرومیک و الکتریک را نشان میدهند، توجه را به خود جلب میکنند.»

الکترت یک ماده دیالکتیکی است(ماده ای که می تواند بار الکتریکی را ذخیره کند اما به عنوان رسانا ضعیف است) و در این مورد به طور دائم.

از نظر عملکردی، مایعات آلکیل-π موادی هستند که بار الکتریکی را حفظ می کنند و حتی می توانند روی مواد دیگر رنگ آمیزی شوند. با این حال، از آنجایی که این ماده در حال حاضر در حال توسعه است، آنها با برخی از مشکلات مایع به عنوان حامل مواجه شدند.

هنگامی که این مایعات با الکترودها برای ایجاد دستگاه های انعطاف پذیر ترکیب میشوند، ثابت شده که ثابت کردن و آب بندی آنها مشکل است و منجر به مشکلات نشت میشود. علاوه بر این، ظرفیت نگهداری بار الکترواستاتیک مایعات آلکیل-π باید افزایش یابد تا قابلیت های تولید برق آنها بهبود یابد.

آنها توانستند با تبدیل مایع به ژل مشکل را حل کنند. بنابراین، آنها ژل جدیدی ساخته اند که متعلق به کلاس جدیدی از مواد است. از آن، آنها توانستند با افزودن الکترودهای انعطاف پذیر، یک فیلم فلزی مانند Ag-AgCI که بر روی یک بستر انعطاف پذیر اعمال می شود، از این ژل الکتریکی خاص حسگری بسازند.

این سنسور ژل می تواند ارتعاشات فرکانس پایین مانند حرکت انسان را دریافت کند و حتی آنها را به سیگنال های ولتاژ خروجی تبدیل کند. توسعه ای مانند این ممکن است نیاز به منابع انرژی خارجی را برطرف کند. آیا این به معنای مصرف انرژی کمتر است؟ شاید.

• روش جدید و ارزان برای تبدیل دی اکسید کربن به سوخت تمیز

یک ژل الکتریکی ممکن است بهتر از مایع عمل کند

در مقایسه با مایع، “مدول ذخیره سازی الاستیک این ژل 40 میلیون برابر مشابه مایع آن است و می توان آن را تثبیت و آب بندی کرد.”

آنها حتی 24 درصد قدرت الکتریکی ژل را بهبود دادند زیرا ژل شارژ الکتریکی را بهتر از مایع نگه می دارد. هنگامی که آنها موفق به ایجاد آن شارژ شدند، الکترودهای انعطاف پذیر را برای ایجاد یک حسگر ارتعاشی اضافه کردند.

این سنسور قادر به درک ارتعاشات با فرکانسهای کمتر از 17 هرتز و تبدیل آنها به ولتاژ خروجی 600 میلیولت است که 83 درصد بیشتر از ولتاژ تولید شده توسط یک حسگر مبتنی بر الکتر مایع آلکیل-π است.

در مرحله بعد، تیم ژاپنی حسگرهای پوشیدنی با شارژهای قوی تر از ژل را توسعه خواهند داد که قابل استفاده مجدد و بازیافت است. بنابراین، این ژل الکتریکی جدید به تلاش های جمعی دانشمندان برای توسعه فناوری های انعطاف پذیر جدید میپیوندد که از نظر محیطی نیز سازگار هستند.

آنها قصد دارند پس از تکمیل مواد، مواد جدید را برای مراقبت های بهداشتی، رباتیک و حسگری ارائه دهند.

حدود 2400 متر زیر کوه های جین پینگ در جنوب غربی چین، عمیق ترین و بزرگترین آزمایشگاه زیرزمینی جهان به تازگی افتتاح شده است. این فضای عظیم خانه دانشمندانی است که در حال شکار ماده تاریک هستند. ماده فرضی که تصور می شود بیش از 80 درصد جرم کیهان را تشکیل می دهد.

آزمایشگاه زیرزمینی جین پینگ چین (CJPL) در سال 2010 افتتاح شد و پس از سه سال ساخت، فاز دوم آن، CJPL-II، در دسامبر 2023 به بهره برداری رسید. با ظرفیت گسترده 330000 متر مکعب، اکنون از آزمایشگاه ملی گرن ساسو پیشی گرفته است. (LNGS) در لاکویلا، ایتالیا، رکورددار قبلی هم از نظر عمق و هم حجم.

فضای اضافی به آزمایش هایی مانند آزمایش های زنون ذرات و اخترفیزیک (PandaX) و آزمایش ماده تاریک چین (CDEX) اجازه ارتقا داده است. خوان کولار، فیزیکدان دانشگاه شیکاگو در ایلینویز میگوید: “این شگفت انگیز است که آنها در یک دهه توانسته اند انجام دهند.”

ماده تاریک همچنان یک راز علمی است. فیزیکدانان محاسبه کرده اند که گرانش تولید شده توسط ماده مرئی بسیار ضعیف است و نمی تواند کهکشان های سریع السیر را از هم دور نگه دارد. بنابراین، آنها ماده تاریک را به عنوان چسب نامرئی که جهان را در کنار هم نگه می دارد، تئوری کردند.

اگرچه ماده تاریک باید همه جا باشد، اما مشاهده مستقیم آن دشوار است، زیرا تصور میشود که به سختی با ماده معمولی تعامل دارد و نور ساطع، بازتاب یا جذب نمیکند. ادعاهایی مبنی بر کشف ماده تاریک با پیشنهاداتی مبنی بر اینکه آزمایش ها ممکن است توسط سیگنال های دیگر مخدوش شده باشند، با مشکل مواجه شده است.

هنری تز-کینگ وونگ، فیزیکدان دانشگاه آکادمی سینیکا در نانگانگ، تایوان، که در CDEX کار می کند، می گوید: “شکوه علمی در انتظار کسانی است که برای اولین بار ماده تاریک را تشخیص می دهند و این جستجوی مداوم یکی از بزرگترین تلاش ها در فیزیک ذرات است.”

نور زیر کوه

بهترین مکان برای جستجوی ماده تاریک، زیر زمین است. زیرا لایه های آشکارسازهای سپر سنگی از «نویز» پس زمینه، مانند پرتوهای کیهانی – ذرات پرانرژی که از فضا به زمین میبارند – که میتوانند سیگنال های بالقوه ماده تاریک را غرق کنند. مارکو سلوی، فیزیکدان موسسه ملی فیزیک هسته ای در بولونیا، ایتالیا می گوید”تلاش برای تشخیص ماده تاریک در سطح زمین مثل تلاش برای شنیدن صدای کوچک یک کودک در داخل استادیوم است که در آن همه فریاد میزنند.”

در زیر زمین، CJPL-II با سرعت 0.000001 درصد سطح زمین در معرض پرتوهای کیهانی قرار می گیرد و آن را به یکی از بهترین آزمایشگاه های زیرزمینی محافظت شده در جهان تبدیل می کند. دیوارهای آن همچنین با یک سپر محافظ به ضخامت 10 سانتی متر ساخته شده از ترکیبی از لاستیک، بتن و سایر مواد که آب و گاز رادون رادیواکتیو را مسدود می کند، پوشیده شده است، که می تواند از سنگ اطراف نفوذ کند و آزمایش های تشخیص ماده تاریک را مختل کند.

• تولید و برداشت انرژی از سرمای فضا

تیم های تحقیقاتی این مرکز در حال حاضر از فضای اضافی استفاده می کنند. در حالی که CJPL-II در حال ساخت بود، تیم PandaX آشکارساز خود را از ظرفیت ۱۲۰ کیلوگرم زنون مایع به ۴ تن ارتقا داد. هنگامی که یک ذره بالقوه ماده تاریک با یک اتم زنون برخورد می کند، انرژی آن باید به فلاش های نور تبدیل شود که می تواند توسط حسگرهای نوری شناسایی شود.

این آشکارساز به آزمایش XENONnT LNGS (8.6 تن) و آزمایش LUX-ZEPLIN (7 تن) در مرکز تحقیقات زیرزمینی Sanford در لید، داکوتای جنوبی می رسد.

نینگ ژو، یکی از اعضای تیم، فیزیکدان دانشگاه شانگهای جیائو تونگ در چین، می گوید که آشکارساز PandaX-4T درون یک مخزن 900 متر مکعبی آب قرار می گیرد تا حتی بیشتر از آن در برابر ذرات سرگردان محافظت کند. او میگوید: “با حساسیت بهتر، میتوانیم با آشکارساز بازی کنیم و انواع مختلف تعاملات را آزمایش کنیم. هدف نهایی این تیم ساخت یک آشکارساز زنون با ظرفیت 40 تا 50 تن است. به گفته ژو، این رقیب آزمایش DARWIN اروپا است که هدف آن 40 تن است.”

در همین حال، تیم CDEX یک آشکارساز ژرمانیوم را نیز مستقر کرده است که ذرات ماده تاریک بالقوه را با جرمی حتی کمتر از آنچه آزمایش های زنون به دنبال آن هستند، هدف قرار میدهد. آشکارساز CDEX از ظرفیت 1 کیلوگرم به 10 کیلوگرم ژرمانیوم ارتقا یافته است، با برنامه ریزی برای ساخت یک آرایه آشکارساز حاوی یک تن.

اگر یک ذره ماده تاریک به این آشکارساز برخورد کند، این برهمکنش باید بارهایی تولید کند که به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند. ژو امیدوار است که از همکاران بین المللی بیشتری برای پیوستن به CDEX دعوت کند که در حال حاضر شامل محققانی از هند و ترکیه است.

سلوی میگوید: “اگرچه جستجو برای ماده تاریک در سطح جهانی رقابتی است، اما وجود چندین آزمایشگاه زیرزمینی در سراسر جهان که آزمایش های مشابهی را انجام میدهند، به محققان اجازه میدهد نتایج خود را با هم مقایسه کنند.”

در سال 2022، تیم PandaX توانست نتایج آزمایش XENON LNGS را تأیید کند که نشان داد سیگنال شگفت انگیز شناسایی شده توسط XENON در سال 2020 از نویز پس زمینه به جای ماده تاریک است. با استفاده از رویکردی مشابه.

اما کولار فکر میکند که تحقیقات در مورد ماده تاریک از رویکردها و ایدههای جدید سود میبرد نه اینکه با نسخه های بزرگتر و حساس تر از همان آشکارسازها، رقابت را شکست دهد. او می گوید: “در حال حاضر به اندازه کافی تکرار وجود دارد.”

ژو میگوید طی دهه آینده، تیم های CJPL-II به بهبود حساسیت آشکارسازهای خود ادامه خواهند داد. او همچنین امیدوار است که جامعه جهانی تحقیقات ماده تاریک مجموعه داده های CJPL-II را با مجموعه داده های خود به اشتراک بگذارد و ترکیب کند. او می گوید: “ما هنوز کارهای زیادی برای انجام دادن داریم.”

این یک شب تابستانی است. در پشت بام یک ساختمان آرام، مجموعه ای از پنل ها اتاق های داخل را خنک میکنند و چراغ ها را روشن نگه میدارند، گرما را از بین میبرند و با استفاده از سردی آسمان برق تولید میکنند. آن سرما در هوای اطراف ساختمان نیست ، شب گرم است. در عوض، پانل ها بسیار فراتر از اتمسفر زمین می رسند تا از سرمای دور اعماق فضا استفاده کنند.

برداشت انرژی به این روش به نظر غیر ممکن است؟ مسلماً این فناوری هنوز به طور کامل در دسترس نیست. اما با استفاده مستقیم از نیروی تولید شده توسط جهان سرد، میتوان آب را خنک کرد تا ساختمان ها تا 5 درجه سانتیگراد در طول روز بدون برق خنک شوند و شب را بدون سیم یا باتری روشن کرد. همانطور که این فناوری بهبود مییابد، میبینیم که پنل های خورشیدی را فعال میکند که در شب و روز کار میکنند و حسگرهای راه دور را تامین میکنند.

از زمانی که اولین انسان ها یاد گرفتند که آتش را مهار کنند، مردم گرما را برای انجام خواسته های خود دستکاری کردند. امروزه هنر تبدیل گرمای حاصل از سوختن گاز، شکافت هسته ای، هسته زمین، خورشید و سایر منابع به انرژی مفید زیربنای زندگی مدرن است.
با انرژی زیادی که از گرما در دسترس است، منبع دیگری از انرژی را نادیده گرفته ایم: سرما. سردی اعماق فضا یک منبع ترمودینامیکی است و تا حد زیادی استفاده نشده است. بله، دور است، اما فاصله مانع استفاده از آن نمیشود، به ویژه وقتی فضای خالی وسیع کیهان را در نظر بگیریم – تقریباً 3 کلوین.

گروه spectrum در مقاله ای عنوان کردد : ما معمولاً از این سردی آگاه نیستیم، زیرا چیزهای اطرافمان، از جمله نور خورشید و تشعشعاتی که از جو به ما بازمیگردند، برای گرم کردن ما توطئه میکنند. اما حدود یک دهه پیش، گروه تحقیقاتی ما در استنفورد ماده ای طراحی کرد که در ارسال گرما به مخزن سرما بسیار کارآمد است و در عین حال از گرم شدن خورشید و محیط جلوگیری میکند. این ماده در واقع آنقدر کارآمد است که می تواند خود را زیر دمای محیط اطراف خود خنک کند، حتی زمانی که زیر نور مستقیم خورشید می نشیند.

بسیار جالب است. هنگامی که گرما می تواند به طور خود به خود از یک جسم روی زمین به جهان جاری شود، درست مانند آب که از زمین بالاتر به دریا جریان می یابد، به ما فرصتی می دهد تا انرژی مفیدی را در طول مسیر از آن برداشت کنیم.

در مورد آب متحرک، یک توربین انرژی موجود در جریان را برای تولید برق آبی جمع آوری می کند. در مورد جریان گرما از زمین به اعماق فضا، ما چند مفهوم امیدوارکننده را توسعه داده ایم، اگرچه هنوز در تلاش هستیم بهترین مکانیسم را کشف کنیم.

ترمودینامیک در زمین و در فضا

قبل از اینکه درباره آن ایده ها و نمونه های اولیه به شما بگوییم، باید نقش تشعشعات در حفظ تعادل انرژی زمین را درک کنید.

تابش یکی از سه مکانیسم انتقال حرارت است. دو مورد دیگر رسانش گرما و همرفت گرما هستند. اولین مورد از ارتعاش اتم ها در برابر یکدیگر به وجود می آید که معمولاً در یک جامد اتفاق می افتد. دومی ناشی از حرکت توده ای ذرات، مانند مولکول های گاز در هوا است. هم رسانایی و هم همرفت به محیطی نیاز دارند که گرما را از طریق آن جابجا کند. تابش به شکل امواج الکترومغناطیسی در حال حرکت، به چنین محیطی نیاز ندارد و می تواند مسافت طولانی را طی کند.

تابش خورشیدی را در نظر بگیرید که گرما را از خورشید به سطح زمین می برد. در یک روز آفتابی، با جذب نور خورشید، می توانید گرمای بدن خود را احساس کنید. اجسام مستقر در زمین نیز گرما ساطع می کنند: در یک شب صاف، بدن خود را خنک می کنید. بخشی از این سرمایش گرمایی است که به فضا تابش می کند.

در حالی که تشعشعات ورودی به یک پایه اصلی برای انرژی های تجدید پذیر در قالب انرژی خورشیدی تبدیل شده است، تابش خروجی تا حد زیادی برای تولید انرژی استفاده نشده باقی مانده است. این تشعشعات خروجی گرمای یک جسم روی زمین را به فضای بیرونی می فرستد، مخزنی با ظرفیت تقریباً نامحدود. حذف گرما از این طریق می تواند آن جسم را ده ها درجه پایین تر از دمای محیط اطراف خنک کند.

ما می توانیم از اختلاف دما با تبدیل آن به الکتریسیته از طریق تولید برق ترموالکتریک استفاده کنیم. اصل کار در پشت یک ژنراتور ترموالکتریک، اثر سیبک است، که توضیح می دهد که چگونه یک ماده در پاسخ به اختلاف دما در سراسر آن، اختلاف ولتاژ ایجاد می کند. ما می توانیم اثر Seebeck را در نیمه هادی ها با افزودن کنترل شده ناخالصی ها یا مواد ناخالص دستکاری کنیم.

به یاد بیاورید که ناخالصی ها می توانند نیمه هادی های میزبان خود را به نیمه هادی های نوع n با الکترون های دارای بار منفی متحرک یا نیمه هادی های نوع p با سوراخ های دارای بار مثبت متحرک تبدیل کنند.
در هر صورت، وقتی این نیمه هادی ها اختلاف دما را پل می کنند، الکترون ها یا حفره ها در نزدیکی انتهای سردتر جمع می شوند. بنابراین نوع n یک پتانسیل ولتاژ مثبت به سمت گرم ایجاد می کند، در حالی که نوع p یک پتانسیل ولتاژ منفی در همان جهت ایجاد می کند.

یک ژنراتور ترموالکتریک (TEG) متشکل از جفت نیمه هادی های متناوب از نوع n و p است که با هم زنجیر شده اند به طوری که ولتاژ حاصل از اختلاف دمای مثبت در نوع n به ولتاژ حاصل از اختلاف دمای منفی در نوع p اضافه می شود. . با اتصال یک TEG بین یک مخزن گرم و یک مخزن سرد، دیفرانسیل حرارتی به عنوان برق گرفته می شود.

با محیط اطراف به عنوان یک مخزن گرم، می توانیم از سرمای اعماق فضا برای ایجاد مخزن سرد استفاده کنیم.

برای انجام این کار، ما گرما را با استفاده از چیزی که ما آن را ساطع کننده می نامیم، به فضا می فرستیم که خود را تا دمای کمتری نسبت به محیط اطرافش خنک می کند. این پدیده ای است که به عنوان خنک کننده تابشی شناخته می شود. سپس، یک ژنراتور ترموالکتریک واقع بین ساطع کننده سرد و محیط اطراف که اکنون گرمتر است، می تواند برق تولید کند.

وظیفه تابشگر این است که گرما را به خارج از جو زمین بتاباند. اما اتمسفر فقط برای فوتون هایی با طول موج های مشخص شفاف است. در محدوده مادون قرمز میانی، جایی که تشعشع گرمایی از اجسام معمولی به زمین متمرکز می شود، قابل استفاده ترین باند انتقال اتمسفر در محدوده طول موج 8 تا 13 میکرومتر است.

حتی برخی از ساطع کننده های ساده تابش گرمایی را در این طول موج ها ارسال می کنند. به عنوان مثال، اگر از محیط اطراف عایق باشد، رنگ سیاه آنقدر تشعشع را در آن باند ساطع می کند تا در هنگام قرار گرفتن در معرض آسمان شب، سطح را تا 10 درجه سانتیگراد خنک کند.

در محدوده طول موج خارج از 8 تا 13 میلی متر، اتمسفر مقدار قابل توجهی از تابش را به عقب باز می گرداند. در طول روز، تابش خورشید وارد معادله می شود. هدف طراحی های پیشرفته تر ساطع کننده، جلوگیری از تشعشعات ورودی از جو و نور خورشید با اطمینان از جذب و انتشار آنها فقط در پنجره شفاف است. ایده استفاده از چنین تابشگر انتخابی با طول موج برای خنک سازی تابشی به کار پیشگام Claes-Göran Granqvist و همکارانش در دهه 1980 برمی گردد.

همانطور که یک مهندس یک آنتن رادیویی را با شکل و اندازه خاصی طراحی می کند تا از یک طول موج مشخص در جهت خاصی ارسال کند، ما می توانیم یک امیتر را با استفاده از کتابخانه ای از مواد، هر یک با شکل و اندازه خاص، طراحی کنیم تا باند طول موج را تنظیم کنیم. جهت تابش گرما هرچه این کار را بهتر انجام دهیم، قطره چکان گرمای بیشتری به فضا پرتاب می کند و قطره چکان سردتر می شود.

شیشه یک ماده عالی برای یک قطره چکان است. ارتعاشات اتمی آن به شدت با تشعشعات حول طول موج 10 میکرومتر جفت می شود و ماده را وادار می کند تا بیشتر تابش گرمایی خود را در پنجره انتقال ساطع کند. فقط کافی است یک پنجره شیشه ای را در شب لمس کنید و این خنکی را احساس خواهید کرد. افزودن یک لایه فلزی برای کمک به انعکاس تابش به سمت آسمان، انتشار و خنککننده را حتی موثرتر میکند. و سازه ها می توانند به طور خاص طراحی شوند تا به شدت طول موج های نور خورشید را منعکس کنند.

یک دهه پیش، گروه تحقیقاتی ما اولین ماده خنک کننده تابشی را ایجاد کرد که در طول روز کار می کند و به طور موثری خود را زیر دمای هوای محیط حتی در نور مستقیم خورشید خنک می کند. این از لایه های نازک متناوب اکسید هافنیوم (HfO2) و شیشهای که در بالای یک لایه بازتابنده نقره قرار دارد، ساخته شده است.
با انتخاب دقیق ضخامت هر لایه از فیلم، ما توانستیم این ماده را تقریباً به طور کامل تابش خورشید را منعکس کنیم و همزمان گرما را از طریق پنجره انتقال اتمسفر به بیرون ارسال کنیم.

از آن زمان، بسیاری از گروه های تحقیقاتی دیگر طرح های مختلفی را برای خنک کننده تابشی در طول روز نشان داده اند. یک گروه از محققان دانشگاه کلرادو، بولدر، با تعبیه یک لایه پلیمری با مهره های شیشه ای میکروسکوپی و پوشاندن پشت آن با یک لایه نازک نقره، یک قطره چکان طراحی کردند. دانه های شیشه ای تابش گرما را از پلیمر به بیرون می فرستند در حالی که پوشش نقره ای نور خورشید ورودی را منعکس می کند.

در مورد مواد خود، ما قبلاً یک کاربرد تجاری کرده ایم: سازه های خنک کننده بدون استفاده از برق، در نتیجه نیاز به تهویه مطبوع ساختمان را کاهش داده یا حذف می کنیم.

SkyCool Systems، فرعی از گروه تحقیقاتی ما، پانل های خنک کننده غیرفعال را می فروشد که می توانند به عنوان یک سیستم خنک کننده مستقل یا به عنوان افزودنی برای سیستم های تهویه مطبوع و تبرید موجود استفاده شوند. تاکنون، SkyCool پانل هایی را در تعدادی از فروشگاه های مواد غذایی در سراسر ایالات متحده نصب کرده است.

برداشت سرما، برداشت انرژی

برداشت انرژی با استفاده از سرمای کیهان هنوز در دست توسعه است. به عنوان اولین اثبات مفهومی ما، یک قطره چکان ساده با استفاده از رنگ سیاه روی صفحه آلومینیومی ساختیم. ما قطره چکان را در یک جعبه فوم با پوششی از فیلم پلی اتیلن شفاف قرار دادیم. این اجازه می دهد تا تابشگر بتواند گرما را به فضا بتاباند و در عین حال آن را در برابر گرمای محیط عایق بندی کند.

سپس یک سوراخ کوچک در پایین جعبه فوم بریدیم و یک ژنراتور ترموالکتریک خارج از قفسه را به قطره چکان وصل کردیم (که به خاطر میآورید به عنوان یک سینک سرد نیز عمل میکند). برای قسمت داغ ژنراتور خود، یک هیت سینک را وصل کردیم که به طور غیر فعال گرما را از محیط اطراف جمع آوری می کرد.

برای جلوگیری از مواجهه با نور خورشید، ما این مجموعه را در شب در پشت بام ساختمان مهندسی برق دیوید پاکارد در استنفورد آزمایش کردیم. 25 میلی وات برق در هر متر مربع از سطح قطره چکان ما تولید کرد و یک LED را روشن کرد.

سیستم ما شبیه یک پنل خورشیدی بود، بنابراین ما شروع به بررسی احتمالات ترکیب این دو فناوری برای دستگاهی کردیم که شب و روز برق تولید می کند. سلول های خورشیدی سیلیکونی تجاری معمولا دارای یک لایه محافظ بالایی از شیشه سیلیکا هستند که مقدار قابل توجهی از تابش گرما را در فرکانس های مورد نیاز برای عبور از جو منتقل می کند.

با استفاده از آن شیشه به عنوان امیتر، با یک عایق مشابه به عنوان اولین نمایش ما و یک ژنراتور ترموالکتریک قرار داده شده بین شیشه و سلول خورشیدی، ما 50 میلیوات بر متر مربع از تولید برق در شب را بدون وقفه در عملکرد روز فتوولتائیک نشان دادیم.

در حالی که جالب است، چگالی توان 50 mW/m2 کاربرد عملی کمی دارد. حتی یک فروشگاه مواد غذایی در حومه شهر – مثلاً حدود 4000 متر مربع – فقط 200 وات تولید می کند که تقریباً برای تأمین انرژی یک یخچال کوچک کافی است.

ما نیاز داشتیم که چگالی توان برداشتگر انرژی خود را افزایش دهیم تا آن را به گزینه ای جذاب برای تامین برق روشنایی و سایر وسایل الکترونیکی کم مصرف در شب تبدیل کنیم. بنابراین ما شروع به آزمایش تغییرات در تنظیمات خود در یک مدل شبیه سازی کردیم و چندین راه برای بهبود طراحی خود کشف کردیم.

نکته کلیدی بهینه سازی اندازه ژنراتور ترموالکتریک برای یک منطقه امیتر معین است. یک ژنراتور بزرگتر برای درجه معینی از اختلاف دمای بین امیتر و محیط اطراف، توان بیشتری تولید می کند، اما با اجازه دادن به جریان گرمای بیشتر بین این دو، اختلاف دمایی را که امیتر می تواند حفظ کند، کاهش می دهد. با درست کردن تعادل، تنها با استفاده از ساطع کننده رنگ سیاه، چگالی توان را دو برابر به بیش از 100 میلی وات بر متر مربع نشان دادیم.

عایق حرارتی قطره چکان از محیط اطراف خود برای رسیدن به دمای بسیار سرد نیز بسیار مهم است. بدیهی است که مواد عایق بسیار بهتری نسبت به موارد استفاده شده در نسخه ی نمایشی ما در دسترس هستند.

در نهایت، ساطع کننده های انتخابی طیفی تر، مانند طراحی مهره های شیشه ای و طرح چند لایه هافنیا که توضیح داده شد، تا دمای بسیار پایین تری نسبت به رنگ سیاه روی آلومینیوم خنک می شوند و بنابراین چگالی توان را افزایش می دهند.

با کنار هم قرار دادن همه این بهینه سازی ها، ما محاسبه کردیم که حداکثر چگالی توان قابل دستیابی برای این فناوری 2.2 W/m2 است. این چگالی توان بسیار کمتر از آن چیزی است که می توان با سلول های خورشیدی زیر نور خورشید تولید کرد.
با این حال، زمانی که نور خورشید به راحتی در دسترس نیست، این بسیار خوب است. در مقایسه با آنچه که می توان با بسیاری دیگر از طرح های برداشت انرژی محیطی به دست آورد، به طور قابل توجهی بالاتر است. برای مثال، قدری بیشتر از کمتر از 1 میلیوات بر متر مربع است که میتوان از امواج رادیویی محیط برداشت کرد.

رویکرد ما در اینجا به استفاده از امیتر برای ارسال تابش گرما به فضای سرد و عمل به عنوان یک مخزن سرد محلی بستگی دارد. این بدان معناست که ما باید قطره چکان را عایق بندی کنیم تا از نفوذ مداوم گرما برای حفظ اختلاف دما جلوگیری کنیم.

اما اگر برای تولید الکتریسیته به آن اختلاف دمای محلی نیاز نداشته باشیم، چه؟ برای پاسخ به این سوال، ما به فتوولتائیک های خورشیدی نگاه کردیم تا مشخص کنیم آیا آنالوگ سرد وجود دارد که به جای نور خورشید با فضای عمیق کار می کند.

• ChatGPT با صدای انسان سوالات شما را پاسخ میدهد

سلول خورشیدی منفی

در برداشت انرژی خورشیدی، یک سلول فتوولتائیک به لطف آنچه در داخل یک نیمه هادی هنگام جذب نور اتفاق می افتد، مستقیماً از تابش خورشید برق تولید می کند. به یاد بیاورید که الکترون ها و حفره ها – حامل های بار در یک نیمه رسانا – معمولاً در یک نیمه رسانای بدون دود، در نتیجه تحریک حرارتی در دمای اتاق، به مقدار کمی وجود دارند.کوتاه کردن بوسیله هوش مصنوعی

اما اگر نیمه هادی را با فوتون هایی با انرژی بیشتر از فاصله باند نیمه هادی بمباران کنید، می توانید الکترون ها و حفره های بیشتری تولید کنید.کوتاه کردن بوسیله هوش مصنوعی

برای جدا کردن الکترون ها و حفره های فتوتولید شده، کنتاکت های انتخابی – آنهایی که فقط به یک نوع حامل بار اجازه عبور میدهند – به دو طرف نیمه رسانا متصل میشوند. یک راه معمول برای انجام این کار این است که یک طرف نیمه هادی را به گونه ای دوپ کنیم که از نوع p باشد، که به سوراخ ها اجازه عبور و بلوک الکترون ها را می دهد، و طرف دیگر به گونه ای که از نوع n باشد، که اجازه عبور الکترون ها را می دهد و سوراخ ها را مسدود می کند.کوتاه کردن بوسیله هوش مصنوعی

نتیجه تجمع حفره ها در سمت p و الکترون ها در سمت n است که به سمت p ولتاژ مثبتی نسبت به سمت n می دهد. هنگامی که یک بار متصل می شود، الکترون ها از سمت n جریان می یابند.کوتاه کردن بوسیله هوش مصنوعی

این تصویر آشنا از عملکرد فتوولتائیک، یک سلول فتوولتائیک نسبتاً سرد را بر روی زمین فرض میکند که در تابش درخشانی که از جسم بسیار داغتری مانند خورشید میآید غرق شده است.
آنالوگ سرد یک سلول فتوولتائیک روی زمین است که رو به فضای خالی است. در اینجا، زمین در مقایسه با فضا داغ است و تفاوت دما به این معنی است که سلول فتوولتائیک متصل به زمین، تشعشع خالصی را به فضا منتشر می کند.

در چنین حالتی، الکترون ها و حفره های نیمه رسانا فوتون ها را دوباره ترکیب میکنند و تابش میکنند و فرآیند جذب نور را معکوس میکنند. این نوع ترکیب جمعیت الکترون ها و حفره ها را می خورد و حفره ها را از سمت p و الکترون ها را از سمت n دور می کند. بدون تشعشع ورودی برای متعادل کردن نوترکیبی تشعشعی، تخلیه بارها در هر دو انتها باعث ایجاد ولتاژ منفی در سمت p نسبت به سمت n می شود.
کوتاه کردن بوسیله هوش مصنوعی

یک بار را به هم وصل کنید و الکترون ها از سمت p جریان می یابند. قطبیت ولتاژ برعکس سناریویی است که در آن یک سلول فتوولتائیک سرد، تابش خورشید داغ را جذب میکند – اما همچنان الکتریسیته است. این پدیده که یک سلول خورشیدی هنگام مواجهه با یک جسم سرد انرژی تولید می کند، تعجب آور نیست. آن را در حد شناخته شده شاکلی-کویسر، که حداکثر بازده نظری یک سلول خورشیدی را توضیح می دهد، اشاره دارد.کوتاه کردن بوسیله هوش مصنوعی

اخیراً، گروه تحقیقاتی ما و دیگران امکان استفاده از چنین وسیله ای را برای برداشت الکتریسیته از تشعشعات گرمایی که زمین به جهان میفرستد مورد مطالعه قرار دادند. ما این نور “منفی” را به دلیل انتشار خالص تشعشع آن می نامیم تا آن را از روشنایی “مثبت” که در یک سلول خورشیدی رخ می دهد متمایز کنیم. برخی دیگر آن را برداشت انرژی حرارتی می نامند.

برای اینکه نور منفی برای برداشت انرژی روی زمین کار کند، نیاز است که سلول فتوولتائیک تشعشعاتی را در طول موج در پنجره انتقال اتمسفر منتشر کند. در این پنجره، الکترون ها و حفره ها میتوانند به تابش خروجی دوباره ترکیب شوند.
در خارج از پنجره، تابش برگشتی از جو فرآیند ایجاد ولتاژ منفی را از بین می برد. برای ضربه زدن به آن پنجره انتقال، ما باید سلول فتوولتائیک را از یک نیمه هادی با فاصله باند کوچک (حدود 0.09 الکترون ولت) ایجاد کنیم که مطابق با لبه پنجره انتقال در طول موج 13 میکرومتر است.

این در واقع ممکن است، اگرچه با سیلیکون نیست. در اولین آزمایش آزمایشگاهی خود، از یک سلول فتوولتائیک تلورید کادمیوم جیوه (MCT) با فاصله باند حدود 0.1 eV استفاده کردیم. ما اثر روشنایی منفی را با نشان دادن سلول MCT در یک سطح کنترل شده با دما تأیید کردیم.
این تنظیمات به ما اجازه میدهد تا سطح را گرم کنیم تا تشعشع بیشتری ساطع کنیم (به سلول MCT ما اجازه میدهد تحت نور مثبت کار کند) و سپس سطح را خنک کنیم و به سلول MCT اجازه میدهیم تا به نور منفی تبدیل شود. با تغییر دمای سطح، ما توانستیم انتقال بین نور مثبت و روشنایی منفی را از تغییر متناظر در ولتاژ خروجی سلول مشاهده کنیم.

سپس سلول MCT خود را از آزمایشگاه بیرون آوردیم و آن را به سمت آسمان شب گرفتیم تا اثر را با استفاده از جهان سرد آزمایش کنیم. ما الکتریسیته تولید کردیم، اما با چگالی توان تنها 64 نانووات بر متر مربع، که بسیار کمتر از روش مبتنی بر امیتر ما است.

یکی دو چیز مقصر بود. اولاً، فاصله باند سلول MCT برای قرار گرفتن در پنجره انتقال ایده آل کمی بیش از حد زیاد است. دوم، نیمه هادی های باند گپ کوچک به شدت از فرآیندهای غیر تشعشعی رنج می برند، یعنی نوترکیبی های الکترون-حفره ای که تشعشع ساطع نمی کنند. در مجموع، اینها قدرتی را که سلول ما می توانست ارائه دهد کاهش داد.

سوق دادن فناوری به آینده

در یک دنیای تقریباً کامل، که در آن بهترین مواد را برای امیترها و سلول های فتوولتائیک نور منفی کشف کرده ایم و تمام مشکلات طراحی دیگر خود را حل کرده ایم، محاسبه میکنیم که حداکثر چگالی توان برای سیستم امیتر ترموالکتریک و رویکردهای نور منفی حدود 5 وات بر متر مربع است.
این مقدار تقریباً یک سی ام چیزی است که سلولهای خورشیدی تجاری در اوج نور خورشید ارائه میکنند یا تقریباً همان چیزی است که یک سلول خورشیدی در یک دفتر با نور روشن تولید میکند.

در یک سناریوی واقعی تر، ما فکر می کنیم که می توانیم به چگالی توانی در حد 1 وات بر متر مربع برسیم. این ممکن است زیاد به نظر نرسد، اما برای روشن کردن نور LED و سنسورهای کیفیت هوا و شارژ باتری گوشی های هوشمند کافی است.
در دراز مدت، تصور زندگی در یک کابین دور، خارج از شبکه، بدون باتری، با استفاده از تشعشعات ورودی و خروجی از دورتر از جو زمین برای گرم کردن، خنک کردن و تولید برق در روز و شب، شاید غیرمنطقی نباشد.