علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Engineers at UMass Amherst harvest abundant clean energy from thin air, 24/7
(Jun Yao & Daegan Miller – بقلم: جون ياو وديغان ميلر، جامعة ماساتشوستس في أمهرست)
ملخص المقالة:
أظهر مهندسو جامعة ماساتشوستس في أمهرست مؤخرا أن أي مادة تقريباً يمكن تحويلها إلى جهاز يستخرج الكهرباء بشكل مستمر من رطوبة الهواء، وفتحوا بهذا باباً واسعاً لحصاد الكهرباء النظيفة من الهواء الرقيق. ويكمن السر في القدرة على حشو المادة بفتحات نانوية يقل قطرها عن 100 نانومتر. واعتمد هذا البحث على بحث سابق في نفس الجامعة في عام 2020 أظهر أنه يمكن حصاد الكهرباء بشكل مستمر من الهواء باستخدام مادة متخصصة مصنوعة من أسلاك البروتين النانوية المزروعة من بكتيريا “جيوباكتير سولفوريدوسينس”، وأطلق عليه آنذاك “تأثير توليد الهواء”.
( المقالة )
يصف الباحثون “تأثير توليد الهواء النوعي”[2] (Generic Air-gen Effect) – حيث يمكن هندسة أي مادة تقريبًا باستخدام المسام النانوية لحصد كهرباء، فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير وخالية من الانقطاع.
أظهر فريق من المهندسين في جامعة ماساتشوستس [في أمهرست بولاية ماساتشوستس] مؤخرا أن أي مادة تقريباً يمكن تحويلها إلى جهاز يستخرج الكهرباء بشكل مستمر من رطوبة الهواء. ويكمن السر في القدرة على حشو المادة بفتحات نانوية يقل قطرها عن 100 نانومتر. وقد ظهر البحث في مجلة “المواد المتقدمة” (Advance Materials) في 23 نوفمبر 2023.
ويقول البروفيسور جون ياو، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية الهندسة بجامعة ماساتشوستس أمهيرست، والمؤلف الكبير للدراسة:
“يحتوي الهواء على كمية هائلة من الكهرباء”. ويضيف: “فكر في السحابة، التي ليست أكثر من كتلة من قطرات الماء. تحتوي كل قطرة من هذه القطرات على شحنة، وعندما تكون الظروف مناسبة، يمكن للسحابة أن تنتج صاعقة، لكننا لا نعرف كيفية التقاط الكهرباء بشكل موثوق من البرق. ما فعلناه هو إنشاء سحابة صغيرة الحجم من صنع الإنسان تنتج لنا الكهرباء بشكل متوقع ومستمر حتى نتمكن من حصادها”.
ويعتمد قلب السحابة التي صنعها الإنسان على ما يسميه البروفيسور ياو وزملاؤه “تأثير توليد الهواء النوعي”، وهو يعتمد على العمل الذي أكمله ياو والمؤلف المشارك البروفيسور ديريك لوفلي، الأستاذ المتميز في علم الأحياء الدقيقة في جامعة ماساتشوستس في أمهيرست، سابقًا. في عام 2020، أظهر أنه يمكن حصاد الكهرباء بشكل مستمر من الهواء باستخدام مادة متخصصة مصنوعة من أسلاك البروتين النانوية المزروعة من بكتيريا “جيوباكتير سولفوريدوسينس” (Geobacter sulfurreducens).
ويقول البروفيسور ياو: “ما أدركناه بعد اكتشاف بكتيريا ‘جيوباكتير‘ هو أن القدرة على توليد الكهرباء من الهواء – وهو ما أطلقنا عليه آنذاك ‘تأثير توليد الهواء‘ – تبين أنه نوعي: حرفيا أي نوع من المواد يمكن أن يحصد الكهرباء من الهواء، طالما أن لها خاصية معينة”.
تلك الخاصية؟ يتابع البروفيسور ياو: “يجب أن تحتوي على ثقوب أصغر من 100 نانومتر، أو أقل من جزء من الألف من عرض شعرة الإنسان”.
ويرجع ذلك إلى معامل يعرف باسم “متوسط المسار الحر”، وهو المسافة التي يقطعها جزيء واحد من مادة ما، في هذه الحالة الماء الموجود في الهواء، قبل أن يصطدم بجزيء واحد آخر من نفس المادة. وعندما تكون جزيئات الماء معلقة في الهواء، يكون متوسط مسارها الحر حوالي 100 نانومتر.
وقد أدرك البروفيسور ياو وزملاؤه أن بإمكانهم تصميم جهاز حصاد الكهرباء بناءً على هذا الرقم. وسيتم تصنيع هذا الحصاد (آلة الحصاد) من طبقة رقيقة من مادة مملوءة بمسام نانوية أصغر من 100 نانومتر والتي من شأنها أن تسمح لجزيئات الماء بالمرور من الجزء العلوي إلى الجزء السفلي من المادة.
ولكن نظرًا لأن كل مسام صغير جدًا، فإن جزيئات الماء تصطدم بسهولة بحافة المسام أثناء مرورها عبر الطبقة الرقيقة. وهذا يعني أن الجزء العلوي من الطبقة سيتم قصفه بعدد أكبر من جزيئات الماء الحاملة للشحنة مقارنة بالجزء السفلي، مما يؤدي إلى اختلال توازن الشحنة، كما هو الحال في السحابة، حيث يزيد الجزء العلوي من شحنته مقارنة بالجزء السفلي. وهذا من شأنه أن يؤدي فعليًا إلى إنشاء بطارية تعمل طالما كانت هناك رطوبة في الهواء.
ويقول البروفيسور ياو: “الفكرة بسيطة، ولكن لم يتم اكتشافها من قبل، وهي تفتح جميع أنواع الاحتمالات”. ويمكن تصميم آلة الحصاد من جميع أنواع المواد، مما يوفر خيارات واسعة لتصنيع فعال من حيث التكلفة وقابل للتكيف مع البيئة. ويتابع: “يمكنك تصور الحصادات المصنوعة من نوع واحد من المواد لبيئات الغابات المطيرة، ونوع آخر للمناطق الأكثر جفافا”.
وبما أن الرطوبة موجودة دائمًا، فإن الحصاد سيعمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، سواء أكان الجو ماطر أو مشمسًا، سواء هبت الرياح أم لا، مما يحل إحدى المشكلات الرئيسية للتقنيات مثل الرياح أو الطاقة الشمسية، والتي تعمل فقط في ظل ظروف معينة.
و أخيرًا، نظرًا لأن رطوبة الهواء تنتشر في مساحة ثلاثية الأبعاد وأن سمك جهاز توليد الهواء لا يمثل سوى جزء صغير من عرض شعرة الإنسان، فيمكن تكديس عدة آلاف منها فوق بعضها البعض، مما يؤدي إلى زيادة كمية الطاقة بكفاءة دون زيادة مساحة الجهاز. وسيكون جهاز توليد الهواء هذا قادرًا على توفير طاقة بمستوى كيلووات للاستخدام العام للمرافق الكهربائية.
ويقول البروفيسور ياو: “تخيل عالمًا مستقبليًا تتوفر فيه الكهرباء النظيفة في أي مكان تذهب إليه. إن تأثير توليد الهواء النوعي يعني أن هذا العالم المستقبلي يمكن أن يصبح حقيقة”.
وقد تم دعم هذا البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية، ومجموعة سوني، ومؤسسة لينك، ومعهد علوم الحياة التطبيقية (IALS) في جامعة ماساتشوستس في أمهيرست، والذي يجمع بين الخبرة العميقة والمتعددة التخصصات من 29 قسمًا في حرم جامعة ماساتشوستس في أمهرست لترجمة الأبحاث الأساسية إلى ابتكارات تعود بالنفع على صحة الإنسان ورفاهه.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
تم مراجعة الورقة البحثية من قبل النظراء ولقراءتها كاملة: DOI: 10.1002/adma.202300748
الهوامش:
[1] الهواء الرقيق هو تعبير عامي يشير إلى موقع مرتفع فوق مستوى سطح البحر، حيث يكون الهواء أقل كثافة ويحتوي على كمية أقل من الأكسجين. وغالبا ما يستخدم لوصف الغلاف الجوي على ارتفاعات عالية، مثل الجبل أو في الغلاف الجوي العلوي. يمكن أيضًا استخدام العبارة بشكل مجازي لوصف مكان أو موقف غير ملموس أو حقيقي. المصدر: تشات جي بي تي. [2] يتكون جهاز توليد الهواء من أنابيب صغيرة تعرف باسم الأسلاك النانوية، والتي تولد شحنة كهربائية عندما تصطدم بها جزيئات الماء الموجودة في الهواء. هذه الظاهرة، التي يشار إليها الآن باسم “تأثير توليد الهواء”، تخلق مخرجا كهربائيًا ثابتًا، حتى في غياب الطاقة النشطة. المصدر: https://innovationorigins.com/en/the-air-gen-effect-a-breakthrough-in-renewable-energy/