اقتصاد دانش بنیان

الهام از معماری طبیعت در طراحی و ساخت سلولهای خورشیدی

از برگهاي سبز درختان تا بالهاي سياه پروانه ها

طبيعت هميشه الگويي مناسب براي انسانها بوده تا بهترين مکانيزمها و مهندسيها را از دل آن بيرون بکشد و به صورت مصنوعي در ماشين آلات و دست ساخته هاي خود به کار ببرد. در طبيعت همواره کارايي ارجحيت دارد و هيچ الگوي پايداري نيست که نتوان از آن چيزي آموخت؛ از مدل حرکت حيوانات گرفته تا ساختار بدن جانوران و گياهان، هر چيزي در موقعيتي خاص مي تواند راهگشاي مشکلي بزرگ براي جامعه بشري باشد. در يکي از آخرين دستاوردهاي حوزه علم حياتي (Biomimetics) محققان موفق شده اند با الهام از بالهاي نوعي پروانه نسل جديدي از سلولهاي خورشيدي را طراحي کردهاند که قادرند نور را تا دو برابر موثرتر از نمونه هاي پيشين جذب کنند.

الگوي مشابه برگها و سلولهاي خورشيدي

در مورد عملکرد سلولهاي خورشيدي ميتوان گفت که اين سلولها نور را دريافت ميکنند و آن را در انشعابهاي درون خود حرکت ميدهند و در نتيجه تماس اين نيرو با سيليکون الکتريسيته يا برق توليد ميشود. نمونه مشابه اين فرايند در طبيعت درون برگها رخ ميدهد. برگها نور خورشيد را جذب ميکند و وقتي در انشعابهاي آن حرکت ميکند در اثر برخورد با سبزينه و کربن و آب به نيروي شيميايي مورد نياز برگ تبديل ميشود. در واقع برگها يکي از منابع الهام بخش ساخت سلولهاي خورشيدي امروزي بوده اند.

پانلهاي خورشيدي که معمولا از تعدادي سلولهاي خورشيدي ضخيم ساخته شده، به گونه اي طراحي ميشوند که زوايايشان منعطف و قابل تغيير باشند تا با توجه به مکان قرارگيري خورشيد در آسمان روز به گونه اي تنظيم شوند که بيشترين مقدار نور را دريافت کنند. سلولهاي خورشيدي باريک نيز که ميتوانند تنها قطري در ابعاد نانومتري داشته باشند، داراي پتانسيلهاي زيادي هستند. اين سلولها ارزانتر و سبکترند، اما از آنجا که کارآمدي و بازدهي کمتري دارند، معمولا در موارد محدودي مانند ساعتها و ماشين حسابها از آنها به جاي پانلهاي خورشيدي استفاده ميشود.

طراحي پانلهاي خورشيدي کارآمدتر بر اساس ساختار بال پروانه ها

در جهت رفع مشکلات گفته شده دانشمندان با مطالعه بالهاي سياه پروانه رز (rose butterfly) و کپيبرداري از ساختار آن موفق به ساخت سلولهاي خورشيدي باريک با کارايي بيشتر شدند. برخلاف ساير انواع سلولها، اين نوع جديد ميتواند نور زيادي را بدون در نظر گرفتن زاويه اش نسبت به تابش جذب کند و همچنين ساخت آن آسانتر است.

پروانه رز بومي جنوب آسياست. از آنجا که اين حشره از جانوران خونسرد به شمار ميآيد و براي پرواز نياز به نور خورشيد دارد، بالهاي سياه آن به گونه اي تکامل يافته اند که براي جذب انرژي بسيار کارامدند. Vinod Saranathan، استاد دانشكده علوم كالج YaleNUS، در خصوص ساختار بدن اين جانوران ميگويد: «نکته بسيار جالب توجه اين است كه اين پروانه ها كه در نتيجه انتخاب طبيعي و طي بيش از ميليونها سال به شکل ساختارهاي پيچيده کنوني تکامل يافته اند، هنوز هم نسبت به ساختارهاي مهندسي شده ما برتري دارند.» (البته Saranathan در مطالعه مورد بحث دخيل نبود.)

براي کشف علت کارامدي بالاي اين پروانه ها و چگونگي عملکردشان گروهي از محققان به سرپرستي

Radwanul Siddique، يک مهندس زيست شناسي در موسسه فناوري کاليفرنيا، به بررسي بالهاي اين حشرات زير ميکروسکوپ الکتروني پرداخته و مدلي سهبعدي از نانوساختار بالهاي آنها ساختهاند. اين بالهاي آزمايشگاهي که در مقياسهايي کوچک ساخته شده اند از حفره هايي که در فاصله هايي تصادفي از هم قرار گرفته اند پوشانده شدهاند. قطر اين حفره ها کمتر از يک ميليونيم متر است و به پراکنده شدن نور در سطح بالها کمک ميکنند که در نهايت منجر به جذب بهتر حرارت براي کمک به حرکت پروانه ها ميشود. در ابتدا اندازه، توزيع و شکل اين حفره ها همگي به شکل تصادفي طراحي شد، اما با استفاده از مدلهاي کامپيوتري، اين تيم تحقيقاتي دريافتند که موقعيت و نظم اين حفرهها براي جذب نور مهم است، در حالي که شکل آن اهميتي ندارد. سپس آنها ساختار مشابهي با استفاده از ورقهاي بسيار نازک سيليکون آمورف هيدروژنه توليد کردند که داراي حفرههايي از همان نوع است.

ماتياس کلل، استاد مهندسي در موسسه فناوري ماساچوست، (که البته او نيز به طور مستقيم درگير اين مطالعه نبوده است) ميگويد: «به نظر من آنچه جالب است اين رويکرد فوق العاده است که سعي کنيم به بررسي مفاهيم فيزيولوژيکي پايه بپردازيم و سپس با در نظر گرفتن اين مفاهيم و مدلهاي به دست آمده و تقليد از آنها ساختاري طراحي کنيم که اگرچه کاملا شبيه به يک پروانه نيست، اما کارکرد فيزيکي مشابه آن دارد.»  او همچنين ميافزايد: «البته اين طراحي بايد مورد سنجش قرار گيرد، اما تکنيکهاي ساخت ارائه شده در اين مقاله نسبتا ساده هستند.» (Siddique در اين باره ميگويد که ساخت اين ورقها تنها حدود 10 دقيقه طول ميکشد.)

بيشتر پانلهاي خورشيدي فقط در يک زاويه قرار ميگيرند که بدين معني است که آنها براي چند ساعت از روز انرژي زيادي توليد ميکنند، ولي پس از آن و در ساير ساعات روز ميزان انرژي توليديشان بسيار افت ميکند. پانلهاي خورشيدي طراحي شده توسط اين تيم تحقيقاتي با توجه به قدرت جذب بيشترشان قادرند در طول روز انرژي بيشتري نيز توليد کنند. مبدعان اين طرح اميدوارند تا روزي اين ايده منجر به بهبود چشمگيري در عملکرد پانلهاي خورشيدي شود.

منبع: مجله دانش بنیان