اقتصاد دانش بنیان

تولید انرژی از نوسانات دمایی

ساخت اولین رزوناتور حرارتی

تجهیزات ترموالکتریک که می‌توانند به کمک نوسانات دمایی (یک طرف دستگاه درجه حرارت متفاوتی از سمت دیگر آن داشته باشد) انرژی تولید کنند‌، در سال‌های اخیر موضوع تحقیقات زیادی بوده است؛ هم‌اکنون تیمی از دانشگاه ام‌آی‌تی به روشی جدید برای تبدیل نوسانات دما به انرژی الکتریکی دست یافته‌ است. به جای نیاز به ورودی دو درجه حرارت متفاوت در یک زمان، سیستم جدید از نوسانات دمای محیط که در طول چرخه شبانه‌روزی رخ می‌دهد، استفاده می‌کند.
پژوهشگران می‌گویند سیستم جدید که رزوناتور حرارتی نامیده می‌شود، می‌تواند عملیات پیوسته و طولانی‌مدت سیستم‌های سنجش از دور را به عنوان مثال بدون نیاز به سایر منابع انرژی یا باتری پشتیبانی کند. نتایج این پژوهش در مجله علمی Nature Communications به چاپ رسیده است.

اولین رزوناتور حرارتی
دکتر مایکل استرانو از محققان این پژوهش می‌گوید: «ما اولین رزوناتور حرارتی را ساخته‌ایم. این چیزی است که می‌توان آن را روی یک میز گذاشت تا از آنچه هیچ به نظر می‌رسد انرژی تولید کند. ما همواره به وسیله بازه گسترده‌ای از نوسانات دما در فرکانس‌ها مختلف احاطه شده‌ایم. این‌ها منابع انرژی هستند که تاکنون مورد تحقیقات جدی واقع نشده‌اند.
در حالی که سطح انرژی تولید شده توسط سیستم جدید نسبتا کم ارزیابی می‌شود، رزوناتور حرارتی این مزیت را دارد که به نور مستقیم خورشید نیازمند نیست و تولید انرژی به لطف این نوآوری بر پایه تغییرات دمای محیط و حتی در سایه امکان‌پذیر است. به این ترتیب تحت تاثیر تغییرات کوتاه‌مدت در پوشش ابر، باد یا سایر شرایط محیطی قرار نمی‌گیرد و می‌توان در هر جایی که مناسب باشد، حتی در زیر یک پنل خورشیدی و در سایه دائمی قرار بگیرد، به این ترتیب با استفاده از انرژی هدررفته پنل خورشیدی سبب افزایش عملکرد کل سیستم می‌شود. رزوناتور حرارتی از ماده تجاری پیروالکتریک در اندازه یکسان (یک روش معتبر برای تبدیل نوسانات دما به برق) بیش از سه برابر بیشتر از دیدگاه انرژی به مساحت، تولید دارد.
برای تولید الکتریسیته از چرخه‌های دمایی به ماده‌ای که از دیدگاه ضریب نفوذ حرارتی (thermal effusivity) بهینه باشد، ویژگی که میزان آسانی جذب و آزادسازی حرارت را از محیط اطراف به وسیله یک ماده توصیف می‌کند، نیاز است. این پارامتر خواص هدایت حرارتی (حرارت چقدر می‌تواند از طریق یک ماده پخش شود) و ظرفیت حرارتی (چقدر حرارت را می‌توان در حجم معینی از یک ماده ذخیره کرد) را تلفیق می‌سازد. در اکثر مواد، اگر یکی از این ویژگی‌ها بالا باشد، دیگری تمایل به عددی کوچک دارد؛ برای مثال سرامیک دارای ظرفیت حرارتی بالا اما هدایت کم است.
برای حل این مشکل، تیم تحقیقاتی ترکیبی از مواد را با دقت مورد پژوهش قرار داد. ساختار پایه یک فوم فلزی است که از مس یا نیکل ساخته شده و سپس با یک لایه گرافین پوشش داده می‌شود تا هدایت گرما را بیشتر کند. سپس فوم با یک نوع موم به نام octadecane (ماده تغییر فازدهنده) ترکیب می‌شود. این موم بین جامد و مایع در محدوده خاصی از دما که برای انجام پژوهش و تولید انرژی انتخاب شده بود، تغییر حالت می‌یابد.
نمونه‌ای از این ماده برای انجام مطالعه ساخته شد و در آزمایش‌ها نشان داد که به‌سادگی در پاسخ به تفاوت دمای 10 درجه سانتیگراد بین شب و روز، می‌تواند 350 میلی‌وات اختلاف پتانسیل و 3/1 میلی‌وات انرژی تولید کند. این میزان جریان الکتریسیته برای تامین انرژی سنسورهای محیط زیستی کوچک یا سیستم‌های ارتباطی کافی است. در زمان تولید جریان الکتریسیته، ماده تغییر فاز ‌دهنده حرارت را ذخیره‌سازی می‌کند و پوشش گرافینی سبب هدایت سریع گرما می‌شود.
دکتر استرانو توضیح می‌دهد: «یک طرف دستگاه گرما را جذب می‌کند که سپس به‌آرامی از طرف دیگر عبور می‌کند. به این ترتیب با تلاش برای رسیدن به تعادل، یک طرف همیشه از طرف دیگر عقب می‌افتد. این اختلاف دائمی بین دو طرف می‌تواند از طریق هدایت ترموالکتریک استحصال شود. ترکیبی از سه ماده فوم فلزی، گرافین و octadecane آن را به بالاترین ضریب نفوذ حرارتی می‌رساند.»
در حالی که آزمایش اولیه بر پایه چرخه روزانه 24 ساعته دمای هوای محیط انجام شد، با تنظیم خواص این ماده امکان دسترسی به انرژی تولیدی در انواع دیگری از چرخه‌های دما مانند گرمای روشن و خاموش شدن موتور یخچال و فریزر یا ماشین‌آلات در کارخانه‌های صنعتی امکان‌پذیر می‌شود.
دکتر استرانو می‌گوید: «تغییرات دما و نوسانات آن دنیای ما را احاطه کرده‌اند، اما تاکنون تلاش جدی برای دسترسی به این نوع انرژی صورت نگرفته، البته بخشی از آن به این دلیل است که هنوز روش شناخته‌شده‌ای برای مهار این نوع انرژی وجود ندارد. در روش‌های دیگر تولید الکتریسیته از چرخه‌های حرارتی سعی شده تا از تجهیزات پیروالکتریک استفاده شود، اما سیستم جدید اولین در نوع خود به حساب می‌آید که می‌تواند به چرخه‌های ویژه نوسانات دمایی طبیعی مانند اختلاف دمای شب و روز پاسخ دهد.»
این تغییرات درجه حرارت محیط، به توصیف پژوهشگران صورت جدیدی از تامین انرژی است و می‌تواند منبع تامین نیرو برای سیستم‌های هیبرید قرار گیرد که مسیرهای چندگانه تولید انرژی را با یکدیگر تلفیق می‌کند تا جایی که سایر روش‌های مشابه قادر به کار نبوده‌اند، کارآمد باشد. مقداری از پشتیبانی مالی این مطالعه به وسیله دانشگاه علم و صنعت ملک عبدالله در عربستان سعودی صورت گرفته به این امید که سیستم پژوهشی به عنوان یک روش نوین تامین انرژی جهت کاربرد در شبکه‌های سنسورهایی که در حفاری نفت و گاز به کار گرفته می‌شوند، استفاده شود. در واقع هدف دسترسی به منابع جدید انرژی‌ است؛ یعنی آن‌هایی که کاملا مستقل از یکدیگر هستند، مانند ژنراتورهای سوخت فسیلی، پنل‌های خورشیدی و این دستگاه جدید. اگر اختلالی در یک بخش رخ دهد به عنوان مثال اگر پنل‌های خورشیدی در اثر طوفان شن در تاریکی قرار بگیرند، آن‌گاه نیاز به این مکانیسم اضافی برای تامین انرژی سیستم خواهد بود، چیزی که با سیستم جدید تکمیل می‌شود.
دکتر ولدیمیر کومن، یکی از متخصصان ام‌آی‌تی و یکی از نویسندگان این مطالعه جدید، می‌گوید: «چنین سیستمی می‌تواند منابع انرژی کم‌قدرت ولی با امکان استفاده بسیار طولانی‌مدت را برای تجهیزات کاوشگر در مکان‌های دورافتاده، از جمله در اکتشافات فضایی و در سطح سایر سیارات فراهم آورد. برای چنین استفاده‌هایی، بیشتر سیستم می‌تواند از مواد محلی ساخته شود.»