اقتصاد دانش بنیان

محققان دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا تکنولوژي هيبريدي جديدي ابداع کرده اند که قادر به توليد مقادير بی سابقه ای برق از محل تلاقي آب شور دريا و آب شيرين رودخانه ها در کنار ساحل است.

کريستوفر گورسکي، استاديار مهندسي محيط زيست و عضو ارشد اين تيم تحقيقاتي درباره اين ابداع ميگويد: «هدف از اين فناوري، توليد برق از محل برخورد رودخانه ها با درياست که مبتني بر تفاوت غلظت نمک بين اين دو منبع آب است.»

ظرفيت اين تفاوت غلظت نمک به ميزاني است که براي توليد انرژي براي پاسخگويي به 40 درصد از نيازهاي برق جهان کافي است. اگرچه در حال حاضر روشهايي براي مهار اين انرژي و بهره برداری از آن وجود دارد، اما دو روشي که تاکنون از همه موفقتر بوده اند فشار اسمز معکوس (PRO) و الکترودياليز معکوس (RED) هستند که هنوز به نتيجه مطلوب دست پيدا نکرده اند.

در روش PRO که رايجترين سيستم موجود است، آب به صورت انتخابي از طريق يک غشاي نيمه تراوا جابه-جا ميشود، در حالي که اجازه جابه جايي نمک داده نميشود. سپس فشار اسمزي ايجادشده طي اين فرايند به وسيله توربينهاي مبدل، تبديل به انرژي ميشود.

گورسکي در اينباره ميگويد: «PRO از لحاظ ميزان انرژي دريافتي بهترين تکنولوژي موجود حال حاضر است. اما مشکل اصلي با PRO اين است که آلودگيهايي همراه با آب از غشا عبور ميکنند و اين بدان معني است که باکتريهايي روي آنها رشد ميکنند يا ذراتي روي سطح آنها گير ميکنند و اين جابه جايي آب، در اين غشاها را مختل يا به طور کلي مسدود ميسازد.» اين اختلال به اين دليل ايجاد ميشود که منافذ غشا بسيار کوچک هستند، به طوري که به راحتی مسدود ميشوند. علاوه بر اين، PRO توانايي مقاومت در برابر فشار آب فوق العاده شور را ندارد.

در روش دوم، RED، از يک شيب الکتروشيميايي به منظور توسعه ولتاژ در سراسر غشاهاي تبادل يوني استفاده ميشود. اين غشاهاي تبادل يوني تنها اجازه ميدهند که يا يونهاي مثبت از آنها عبور کنند يا يونهاي منفي. بنابراين تنها نمکهاي حل نشده از اين غشاها ميگذرند و نه خود آب. در اينجا، انرژي زماني ايجاد ميشود که در نتيجه انتقال انتخابي يونها، يونهاي کلريد يا سديم در عبور از غشاهاي تبادل يوني متوقف شوند. غشاهاي تبادل يوني براي ايجاد جريان عبوري نيازي به آب ندارند بنابراين مانند غشاي مورد استفاده در PRO به راحتی آلوده نميشوند؛ با اين حال، مشکل اين روش اين است که توانايي توليد مقادير زياد انرژي را ندارد.

اما تکنولوژي موفق سومي نيز وجود دارد. روش ترکيب خازني (CapMix) که نسبتا جديد است يک فناوري مبتني بر الکترود است که انرژي را از ولتاژي به دست ميآورد که حاصل به هم رسيدن دو الکترود يکسان به دو نوع مختلف آب با غلظتهاي مختلف نمک، مانند آب شيرين و آب درياست. مانند روش دوم، مشکل روش ترکيب خازني نيز اين است که قادر نيست انرژي کافي را براي اينکه مداوم و موفق عمل کند، توليد کند.

گورسکي به همراه تيم تحقيقاتياش معتقدند ممکن است راه حلي براي اين مشکلات يافته باشند. اين محققان در اين روش هر دو فناوري RED و CapMix را در يک سلول جريان الکتروشيميايي ترکيب کرده اند. با ترکيب اين دو روش، آنها انرژي بسيار بيشتري را براي زماني تقريبا نامحدود توليد ميکنند.

اين تيم تحقيقاتي سلول جرياني را به طور سفارشي ساخته اند که در آن دو کانال توسط يک غشاي تبادل آنيوني از هم جدا شده اند. سپس يک الکترود هگزاسيانوفرات مس در هر کانال قرار داده شد و ورق گرافيت به عنوان يک جمع کننده مورد استفاده قرار گرفت. سپس سلول توسط دو صفحه انتهايي با استفاده از پيچ و مهره بسته شد. پس از ساخته شدن، يکي از کانالها با آب مصنوعي دريا و کانال ديگر با آب شيرين مصنوعي تغذيه شد. تعويض دورهاي مسيرهاي جريان آب اين سلول را قادر ميسازد تا شارژ شود و قدرت توليد بيشتري داشته باشد. در نهايت محققان بررسي کردند که چگونه قطع ولتاژ براي تعويض مسيرهاي جريان، مقاومت خارجي و اوج تاثير غلظت نمک و توليد متوسط برق مورد استفاده قرار ميگيرد.

گورسکي در توضيح اين بخش از کارشان ميگويد: «دو چيز در اينجا باعث ميشوند که اين سيستم کار کند: اول، شما نمکهايي داريد که به الکترود ميروند و دوم اينکه شما کلريدي داريد که در سراسر غشاء در حال انتقال است. از آنجا که هر دوي اين فرايندها ولتاژ توليد ميکنند، دائما در حال ايجاد يک ولتاژ ترکيبي در الکترودها و در سراسر غشا هستيد.»

تعيين ولتاژ به دست آمده از سلول جريان، به نوع غشاي مورد استفاده و تفاوت شوري بستگي دارد. تيم تحقيقاتي ولتاژهاي سلول مدار باز را در حالي که دو محلول را در 15 ميليليتر در دقيقه تغذيه ميکرد، ثبت کردند. از طريق اين روش، آنها دريافتند که پشته سازي چند سلول بر ميزان برق توليدشده اثر ميگذارد. در 6/12 وات در هر متر مربع، اين تکنولوژي به اوج تراکم انرژي ميرسد که در مقايسه با رکوردي که از RED گزارش شده (9/2 وات در هر متر مربع)، و همچنين در مقايسه با مقادير حداکثر محاسبهشده براي PRO (2/9 وات بر متر مربع) به طور چشمگيري بالاست، در حالي که مشکل رسوب گذاري و آلودگي نيز ندارد.

اگرچه نتايج اميدوارکننده است، محققان در تلاش هستند که تحقيقات بيشتري بر روي ثبات الکترودها در طول زمان انجام دهند. آنها به دنبال آنند که بدانند چگونه عناصر ديگر موجود در آب دريا مانند منيزيم و سولفات ميتوانند بر عملکرد سلول اثر بگذارند.

منبع: مجله دانش بنیان