دانشمندان موفق به تولید برق از رطوبت هوا شدند

روش های بسیار متنوعی موجود است که می توانیم بطور بالقوه تمام انرژی موردنیاز برای حسگرهای پزشکی کوچک یا دیگر دستگاه های دارای حداقل نیاز انرژی را تأمین کنیم. با‌این‌ وجود ، معمولاً فاصله ی زیادی بین چنین مواردی و چیزهای دیگری وجود دارد؛ مثل ژاکتی که وقتی راه می روید، گوشی تلفن شما را شارژ می کند. دستگاه های تولیدکننده ی برق یا توانایی افزایش مقیاس ندارند یا کارآیی آنها آنقدر کم است که برای شارژ تلفن هم به زمان بسیار زیادی احتیاج است. جدیدا مجله ی Nature مقاله ای منتشر و در آن دستگاهی را توصیف نموده است که به گفته ی نویسندگان، از یک طرف میتواند انرژی دستگاه های کوچکی مثل حسگرهای پزشکی را تأمین کند و از طرف دیگر مقیاس پذیر است؛ چنان که با پنل های خورشیدی میتواند رقابت کند.

تمام آنچه دستگاه برای تولید انرژی به آن نیاز دارد، رطوبت محیط است. جالب این است که ظرفیت توسعه ی این دستگاه را دانشجویی بطور تصادفی کشف کرد که در حال کار روی مسئله کاملاً متفاوتی بود. البته شمار متعددی از کشفیات علمی زمانی رخ داده اند که فیلسوفان مشغول کار روی موضوع دیگری بوده اند. تابش زمینه ی کیهانی( CMB) را افرادی کشف کردند که در حال کار روی گیرنده ی مایکروویو بودند؛ ولی با منبع آزاردهنده ای از نویز روبرو شده بودند که از بین نمی رفت.

درباره ی کار اخیر، دانشجویی به اسم شیائومنگ لیو مشغول کار روی پروتئین های رشته مانندی بود که باکتری (Bacterium) آنرا ساخته بود. در خیلی از گونه ها ، این الیاف ریزی که با میکروسکوپ معمولی هم دیده نمی شوند، رساناهای مناسبی هستند و محققان در آزمایشگاه های گوناگون در حال مطالعه ی خصوصیت های مذکور و نیز باکتری هایی هستند که آنها را تولید می کنند.

لیو مجموعه ای از پروتئین های باکتریایی را بین صفحات فلزی قرار داده بود. او در حال مطالعه ی ویژگی های این پروتئین ها بود؛ ولیکن پروتئین ها ولتاژی تولید می کردند که تجهیزات وی آنرا ثبت کرد. احیانا این ولتاژ باعث مزاحمت در روند کارش می شد و او می خواست از دست آن رها شود و در بیشتر موارد موفق نمی شد. تنها چیزی که بنظر میرسید ولتاژ را از بین ببرد، حذف رطوبت از محیط بود؛ بدین ترتیب، لیو و دیگر اعضای آزمایشگاه توجه خود را از این مسئله که چطور ولتاژ را حذف کنند، به این مسئله تغییر دادند که چگونه رطوبت ولتاژ تولید می کند. در آخر، آنها دستگاهی ساختند که صفحه ی رسانایی بود که در الیاف پروتئینی ریز حاصل از باکتری پوشانده شده بود. در بالای الیاف، نوارهای نازکی از الکترود قرار دادند. فاصله ی بین نوارها موجب می شد هوا به الیاف برسد و رطوبت نیز راه خود را به توری پیدا کند.

در حالت ابتدایی، دستگاه می تواند اختلاف ظرفیتی برابر یک ولت با چگالی توان حدود ۴۰ میلی وات بر سانتی مترمربع ایجاد کند. حتی وقتی اندازه ی دستگاه تا حد یک میلی متر تقلیل پیدا می کند، میتواند نیم ولت انرژی تولید کند. دستگاه ذکر شده حتی وقتی سطح رطوبت محیط به حد ۲۰ درصد هم میرسد ( مقدار رطوبتی که معمولاً فقط در بیابان دیده می شود)، کار می کند. ولتاژ حاصل زمانی در ماکزیمم مقدار خود بود که لایه ی الیاف پروتئینی ضخامت ۱۴ میکرومتر داشت؛ بدین ترتیب، دستگاه به میزان زیادی پروتئین احتیاج ندارد.

دستگاه میتواند حدود ۲۰ ساعت بطور مستقیم برق تولید کند؛ البته در جریان این بازه زمانی، ولتاژ تا حدود ۳۰ درصد تنزل پیدا می کند. چنانچه تولید جریان پنج ساعت متوقف شود، ولتاژ کاملاً بازیابی می شود؛ با این حال، مشخص نیست دستگاه بدون تخریب دائمی عملکرد چندبار بازیافت شدنی است. محققان دقیقا به این موضعو اشاره نمی کنند و می گویند« بطور مکرر».

حتماً شما هم میخواهید بدانید روش عملکرد دستگاه چطور است. به گفته ی پژوهشگران، عملکرد دستگاه بوجود شیب رطوبتی در لایه ی پروتئینی نیاز دارد. طبق اندازه گیری ها، میزان اشباع در سطح شبکه ۲۷ درصد و میزان اشباع در پایه ی شبکه حدود ۳ درصد است. برخی از ملکول های آب جذب شده یونیزه میشوند و بقیه هم به یونیزه شدن بعضی از زیرگروه های شیمیایی پروتئین ها کمک و پروتون ها را در بسته های کوچکی از مایع آزاد می کنند.

به اعتقاد  محققان، همین یون ها هستند که قابلیت انتقال بارهای الکتریکی را از روش الکترودها فراهم می آورند. محققان برای تائید این مسئله بعضی پلیمرهای مرتبط را آزمایش کردند و متوجه شدند وجود گروه های شیمیایی که به آسانی یونیزه میشوند ، با عملکرد الکتریکی مرتبط است. این امر تا حدی سنجیده است؛ چراکه شیب آب موجود در دستگاه به این مفهوم است که در یک سمت از آن درمقایسه با سمت دیگر، مواد یونیزه بیشتری وجود دارد. همینطور، میتوانید ببینید چگونه زمانی که به دستگاه فرصت داده شود تا مجددا به وضعیت تعادل درآید، یون های استفاده شده هنگام فعالیت دستگاه برای تولید بار الکتریکی بازیابی خواهند شد.

البته ازآنجاکه کم کم شیب رطوبتی در دستگاه از بین میرود ، معلوم نیست دستگاه ذکر شده چطور میتواند عملکرد خود را بطور نامحدود حفظ کند. با‌این‌ وجود ، محققان درباره ی چشم انداز آینده ی چنین دستگاهی امیدوار هستند. از آنجا که تمام آنچه دستگاه به آن احتیاج دارد، هوا است، میتوان تعداد زیادی از آنرا بطور انبوه در هر ساختار تعبیه کرد.

بر اساس محاسبات پژوهشگران، چنانچه مکعبی با وجه یک متر داشته باشید که در آن فضای مساوی به جریان هوا و دستگاه های برداشت رطوبت اختصاص دهید، دستگاه میتواند یک کیلووات انرژی تولید کند. این اندازه با پنل های خورشیدی امروزی مقایسه شدنی است که به ازای هر مترمربع حدود ۲۰۰ وات انرژی تولید می کنند و آنها را نمی توان به صورت انبوه روی هم قرار داد. البته نمی توان انتظار داشت جریان هوای زیادی در چنین دستگاهی وجود داشته باشد که اجزای آن بسیار نزدیک به هم قرار دارند؛ ولیکن میتوان برای بهبود جریان هوا قدری از چگالی توان را قربانی کرد. این دستگاه را می نوان هرجایی درمعرض هوای مرطوب قرار داد و هنگام شب نیز کار می کند.

یکی از سوالات بی پاسخ در مورد  دستگاه این است که چه قدر میتواند از اشباع شدن از آب پرهیز کند. مسئله ی دیگر آن است که پروتئین ها در محیط طی زمان تجزیه میشوند و معلوم نیست عملکرد این دستگاه چه مقدار وابسته به حفظ ساختار الیاف است. ماده ی استفاده شده در این دستگاه نیز با برش از سطح باکتری در محیط کشت بدست می آید. این شیوه برای تولید انبوه اقتصادی نیست. پلیمرهای جایگزین با ترکیب شیمیایی مشابه امکان دارد همین عملکرد را داشته باشند؛ ولی هنوز آزمایش نشده اند. عاقبت، مدل پژوهشگران از این دستگاه نشان می دهد الیاف پروتئینی کارآمدترین گزینه برای ساخت این نوع دستگاه ها نیستند. بر اساس محاسبه ی پژوهشگران، دستگاه آنها به اندازه ی ۴ درصد از ماکزیمم توان تئوریکش تولید دارد؛ بنابراین، پرسش بی جواب بزرگ دیگر آن است که چه قدر می توانیم عملکرد دستگاه را بهبود بخشیم.