تولید برق از مواد زائد گیاهان و جانوران امکان پذیر می شود

با استفاده مجدد از زباله های زیستی:

محققان قصد دارند از مواد زائد گیاهان و جانوران مانند گلبرگ ها پوست میوه خز ریخته شده روی زمین یا حتی پوست مار برای تامین انرژی مورد نیاز تجهیزات الکترونیکی استفادده کنند.

به گزارش خبرگزاری آنا به نقل از ادونس ساینس نیوز دانشمندان چگونگی استفاده مجدد از این مواد را برای تولید برق با کمک یک دستگاه کوچک و زیبا که به نام «نانو ژنراتور تریبوالکتریک» (TENG) شناخته می شود کشف کرده اند.

TENG ها که در سال ۲۰۱۲ اختراع شدند انرژی پس زمینه تصادفی و اغلب تلف شده را بدون نیاز به سوخت یا باتری به برق تبدیل می کنند. این دستگاه ها انرژی را از محیط (مانند امواج اقیانوس باد قطرات باران یا ارتعاشات) و حتی از حرکات عادی فرد مانند راه رفتن یا خوابیدن می گیرند و انرژی مورد نیاز خود را تامین می کنند. طراحی ساده و اقتصادی آنها اصطکاک را برای تولید برق مهار می کند.

آنها این کار را از طریق پدیده ای به نام اثر تریبوالکتریک (الکتریسته مالشی) انجام می دهند که وقتی اتفاق می افتد که دو ماده که تمایلات متفاوتی برای تبادل الکترون دارند با هم تماس پیدا می کنند و سپس از هم جدا می شوند.

وقتی این فرآیند بار ها و بار ها تکرار می شود ولتاژی تولید می کنند که برای تامین انرژی دستگاه های الکترونیکی کوچک کافی است؛ هر چه اختلاف شارژ بین این دو ماده بیشتر باشد ولتاژ خروجی بالاتر است.

پلیمر های مبتنی بر نفت حاوی فلوئور مانند پلی تترا فلوئورواتیلن به دلیل بار منفی زیاد معمولا به عنوان مواد «تریبومنفی» پذیرنده الکترون استفاده می شوند اما این پلاستیک های مصنوعی زیست تخریب پذیر نیستند. همچنین این امر در مورد لایه ها و اکسید های فلزی که معمولا به عنوان مواد «تریبومثبت» اهداکننده الکترون استفاده می شوند نیز درست است.

«تائه جون ها» «Tae-Jun Ha» استاد مهندسی مواد الکترونیکی در دانشگا کوانگ وون در کره جنوبی و مجری این تحقیقات گفت: «در نانوژنراتور های تریبوالکتریک مبتنی بر زباله زیستی یک یا هر دو طرف لایه های تریبوالکتریک از مواد زاید زیستی فرآوری شده یا فرآوری نشده ساخته شده اند که باید برای توانایی شان در القای بار در هنگام تماس با سطوح دیگر بهینه شوند.»

مواد مبتنی بر کربن که ضایعات گیاهی و حیوانی را می سازند مانند سلولز کیتوزان کلاژن ژلاتین و کراتین در گروه های شیمیایی الکترون دهنده معروف به گروه های کربوکسیل آمینو آمید و هیدروکسیل به وفور یافت می شوند و امکان استفاده به جای فلزات به عنوان مواد تریبومثبت را دارند.

به گفته محققان اگرچه بیشتر مواد زائد زیستی به جای پذیرش الکترون آن را اهدا می کنند اما مواد تریبومثبت ضعیف را می توان در ترکیب با مواد به تریبومثبت قوی ترکیب کرد تا نانو ژنراتور های تریبوالکتریک کاملا طبیعی را ایجاد کنند.

این گروه های حاوی نیتروژن و اکسیژن همچنین می توانند پیوند های هیدروژنی ایجاد کنند پیوند های ضعیفی که در صورت وجود تعداد زیادی از آنها ماده تثبیت می شود. به عنوان مثال پروتئین کراتین حاوی زنجیره ای از اسید های آمینه است که پیوند های هیدروژنی چندگانه ای را تشکیل داده و عامل تقویت کننده مو های انسان ناخن ها پر ها و خز حیوانات می شوند.

«ها» اظهار داشت پیوند های هیدروژنی همچنین خواص مکانیکی نانو ژنراتور های تریبوالکتریک را بهبود می بخشند.

از طرف دیگر مواد زائد زیستی با پیوند هیدروژنی اغلب به رطوبت حساس هستند که بازده تبدیل انرژی آنها را کاهش داده و آنها را برای برخی کاربرد ها غیرعملی می سازند.

اگرچه سطوحی از پردازش برای کاربرد های خاصی مورد نیاز است مانند مواردی که نیاز به مقاومت در برابر آب دارند اما زباله های زیستی فرآوری نشده مانند بقایای کشاورزی به عنوان مواد تریبومثبت مؤثر واقع شده اند.

حتی یک برگ خشک زمانی که با پلی تترا فلوئورواتیلن به عنوان ماده تریبومنفی جفت شود می تواند ولتاژ کافی برای تامین انرژی دیود های ساطع کننده نور ایجاد کند. 

با وجود این مزایا نانو ژنراتور های تریبوالکتریک که با زباله های زیستی کار می کنند هنوز تجاری سازی نشده اند که به اعتقاد محققان کره ای دلیل این امر ولتاژ های خروجی پایین دوام ضعیف و عمر مفید کوتاه آنهاست. اما کاربرد های خاصی امیدوارکننده هستند به ویژه مراقبت های بهداشتی هوشمند که به موادی سازگار با بدن انسان نیاز دارند.

 مثلا محققان یک برچسب حسگر هوشمند مبتنی بر کیتوزان ابداع کرده اند که بیماران می توانند به طور بالقوه از آن برای برقراری ارتباط غیرکلامی نیاز های ساده با پزشکان یا پرستاران استفاده کنند. کاربر وقتی برچسب را روی انگشت قرار می دهد بر اساس یک توالی ولتاژی خاص که معادل حروف الفباست روی آن ضربه می زند و به این ترتیب کلمات هجی می شوند.

نانو ژنراتور های تریبوالکتریک مبتنی بر مواد زائد همچنین می توانند به عنوان حسگر های محیطی بلادرنگ استفاده شوند که آلودگی رطوبت دما و سطوح pH را تشخیص می دهند. 

در یک مطالعه محققان یک حسگر رطوبت و گاز منحصر به فرد از پوست پیاز پیازچه و تره فرنگی ساختند. بر خلاف پلیمر ها که به طور یکنواخت دارای بار مثبت یا منفی هستند پوست گیاهان می تواند بار های متفاوتی بر روی سطوح بیرونی و درونی خود داشته باشد که به آنها قابلیت تبادل الکترون می دهد. در این حالت تنها یک ماده برای عملکرد نانو ژنراتور تریبوالکتریک مورد نیاز است.

اگرچه این کاربردها جالب و خود مواد خام ارزان هستند اما فرآیند های ساخت بیشتری مورد نیاز است که می تواند هزینه دستگاه ها را افزایش دهد. اما «ها» معتقد است دستگاه های مشتق شده از زباله های زیستی روزی قادر خواهند بود با پیشرفته ترین TENG های فعلی رقابت کنند.

 آن اوایل نیز سلول های خورشیدی برای تولید برق مقرون به صرفه نبودند. در دهه ۱۹۸۰ متوسط هزینه تولید سلول های خورشیدی حدود ۳۰ دلار در هر وات بود اما به لطف پیشرفت فناوری در چند دهه گذشته اکنون به ۰.۵۰ دلار در هر وات کاهش یافته است.

«ها» اظهار داشت: «معتقدم فناوری های برداشت انرژی مبتنی بر TENG های برپایه زباله های زیستی می توانند مقرون به صرفه باشند چراکه محققان در سراسر جهان بسیار سخت روی آنها کار می کنند.»

وی افزود: این کار شامل بهبود پایداری دستگاه دوام و راندمان تبدیل انرژی با بررسی ترکیبات مختلف مواد زائد زیستی است.

ممکن است چندسالی طول بکشد تا نانو ژنراتور های تریبوالکتریک که فقط با زباله های زیستی کار می کنند به ابزار اصلی تولید انرژی تبدیل شوند اما می توان تا آن زمان گام های مهمی برداشت. برای مثال بازدهی تبدیل انرژی آنها را می توان با ترکیب برخی از اجزای غیرقابل تجزیه زیستی در دستگاه ها بهبود بخشید.