يقول الباحثون إنهم اكتشفوا أن الأجهزة النانوية التي تستغل التأثير الكهرومائي يمكن أن تحصد الكهرباء من تبخر السوائل ذات التركيزات الأيونية الأعلى من المياه النقية، مما يكشف عن إمكانات طاقة هائلة غير مستغلة.
التبخر هو عملية طبيعية منتشرة في كل مكان لدرجة أن معظمنا يعتبرها أمرا مفروغا منه. في الواقع، ما يقرب من نصف الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض تؤدي إلى عمليات التبخر. منذ عام 2017، يعمل الباحثون على تسخير إمكانات الطاقة الناتجة عن التبخر عبر التأثير الهيدروفولتائي (HV)، والذي يسمح بحصد الكهرباء عند تمرير السائل فوق السطح المشحون لجهاز النانو. ويؤدي التبخر إلى إنشاء تدفق مستمر داخل القنوات النانوية داخل هذه الأجهزة، والتي تعمل كآليات ضخ سلبية. ويظهر هذا التأثير أيضًا في الشعيرات الدموية الدقيقة في النباتات، حيث يحدث نقل المياه بفضل مزيج من الضغط الشعري والتبخر الطبيعي.
على الرغم من وجود الأجهزة الكهرومائية حاليًا، إلا أن الفهم الوظيفي للظروف والظواهر الفيزيائية التي تحكم إنتاج الطاقة ذات الجهد العالي على المستوى النانوي قليل جدًا. إنها فجوة معلوماتية أرادت جوليا تاجليابو، رئيسة مختبر علوم النانو لتكنولوجيا الطاقة (LNET) في كلية الهندسة، وطالب الدكتوراه طارق أنور سدها. لقد استفادوا من مجموعة من التجارب ونمذجة الفيزياء المتعددة لتوصيف تدفقات السوائل، وتدفقات الأيونات، والتأثيرات الكهروستاتيكية الناتجة عن التفاعلات الصلبة والسائلة، بهدف تحسين أجهزة الجهد العالي.
"بفضل منصتنا الجديدة التي يتم التحكم فيها بشكل كبير، هذه هي الدراسة الأولى التي تحدد كمية هذه الظواهر الكهروضوئية من خلال تسليط الضوء على أهمية التفاعلات البينية المختلفة. ولكن في هذه العملية، توصلنا أيضًا إلى نتيجة رئيسية: أن الأجهزة الكهرومائية يمكن أن تعمل على نطاق واسع من الملوحة، وهو ما يتعارض مع الفهم المسبق بأن المياه عالية النقاء مطلوبة للحصول على أفضل أداء.
تم نشر دراسة LNET مؤخرًا في مجلة Cell Press Device.
نموذج كاشف للفيزياء المتعددة
يمثل جهاز الباحثين أول تطبيق للطاقة الكهرومائية لتقنية تسمى الطباعة الحجرية الغروية للغلاف النانوي، والتي سمحت لهم بإنشاء شبكة سداسية من أعمدة السيليكون النانوية المتباعدة بدقة. خلقت المسافات بين الأعمدة النانوية قنوات مثالية لتبخير عينات السوائل، ويمكن ضبطها بدقة لفهم تأثيرات حبس السوائل ومنطقة التلامس الصلبة/السائلة بشكل أفضل.
"في معظم الأنظمة الموائعية التي تحتوي على محاليل ملحية، يكون لديك عدد متساو من الأيونات الموجبة والسالبة. ومع ذلك، عندما تحصر السائل في قناة نانوية، فلن تبقى سوى الأيونات ذات القطبية المعاكسة لقطبية الشحنة السطحية. "وهذا يعني أنك إذا سمحت للسائل بالتدفق عبر القناة النانوية، فسوف تولد تيارًا وفولتية."
ويضيف تاجليابو: "يعود هذا إلى اكتشافنا الرئيسي المتمثل في إمكانية استغلال التوازن الكيميائي للشحنة السطحية للجهاز النانوي لتوسيع نطاق تشغيل الأجهزة الكهرومائية عبر مقياس الملوحة". "في الواقع، مع زيادة تركيز أيون السائل، تزداد أيضًا الشحنة السطحية للجهاز النانوي. ونتيجة لذلك، يمكننا استخدام قنوات موائع أكبر أثناء العمل مع سوائل ذات تركيز أعلى. وهذا يجعل من السهل تصنيع الأجهزة للاستخدام مع مياه الصنبور أو مياه البحر، بدلاً من المياه النقية فقط.
الماء، الماء في كل مكان
ونظرًا لأن التبخر يمكن أن يحدث بشكل مستمر عبر نطاق واسع من درجات الحرارة والرطوبة - وحتى في الليل - فهناك العديد من التطبيقات المحتملة المثيرة لأجهزة الجهد العالي الأكثر كفاءة. ويأمل الباحثون في استكشاف هذه الإمكانية بدعم من منحة البداية المقدمة من مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية، والتي تهدف إلى تطوير "نموذج جديد تمامًا لاستعادة الحرارة المهدرة وتوليد الطاقة المتجددة على نطاقات كبيرة وصغيرة"، بما في ذلك نموذج أولي تحت مظلة حقيقية. - الظروف العالمية على بحيرة جنيف.
ونظرًا لأنه يمكن تشغيل الأجهزة ذات الجهد العالي نظريًا في أي مكان يوجد فيه سائل - أو حتى رطوبة، مثل العرق - فيمكن استخدامها أيضًا لتشغيل أجهزة الاستشعار للأجهزة المتصلة، بدءًا من أجهزة التلفزيون الذكية وحتى الأجهزة القابلة للارتداء الخاصة بالصحة واللياقة البدنية. بفضل خبرة LNET في أنظمة حصاد وتخزين الطاقة الضوئية، تحرص Tagliabue أيضًا على معرفة كيفية استخدام تأثيرات الضوء والحرارة الضوئية للتحكم في الشحنات السطحية ومعدلات التبخر في أنظمة الجهد العالي.
وأخيرًا، يرى الباحثون أيضًا أوجه تآزر مهمة بين أنظمة الجهد العالي وتوليد المياه النظيفة.
"يُستخدم التبخر الطبيعي لدفع عمليات تحلية المياه، حيث يمكن حصاد المياه العذبة من المياه المالحة عن طريق تكثيف البخار الناتج عن سطح التبخير. وقال أنور: "الآن، يمكنك أن تتخيل استخدام نظام الجهد العالي لإنتاج المياه النظيفة وتسخير الكهرباء في نفس الوقت".
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://envirotecmagazine.com/2024/03/12/nanodevices-can-produce-energy-from-evaporating-tap-or-seawater/
