ایده دانشمندان برای تولید برق از هیچ! گرمای محیط منبع انرژی بعدی ماست؟

در مناطق گرمسیری و بیابانی که دمای هوا به سطوح بسیار بالایی می‌رسد، گرمای گسترده‌ای به‌عنوان یک منبع انرژی بدون استفاده باقی می‌ماند. در حالی که بسیاری از فناوری‌های تولید برق وابسته به منابعی مانند سوخت‌های فسیلی، باد یا آب هستند، آیا می‌توان از گرمای محیط به‌عنوان یک منبع انرژی پایدار استفاده کرد؟

تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که با استفاده از فناوری‌های جدید بازیابی گرما، می‌توان انرژی گرمایی محیط را به برق تبدیل کرد. این رویکرد نه‌تنها راهی برای تأمین انرژی در مناطق گرم و خشک است، بلکه می‌تواند به توسعه‌ی پایدار و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی در این مناطق کمک کند.

پتانسیل عظیم گرمای محیط در تولید انرژی برق

در بسیاری از مناطق گرمسیری، به‌ویژه در نواحی نزدیک به خط استوا، بیابان‌های گسترده مانند صحرای آفریقا، کویرهای خاورمیانه و نواحی خشک جنوب آسیا، دمای هوا می‌تواند در طول روز به بیش از ۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد برسد. این دمای بالا باعث ایجاد اختلاف دما میان سطوح مختلف محیط، از سطح زمین گرفته تا سازه‌های مصنوعی، می‌شود.

این اختلاف دما می‌تواند برای تولید برق مورد استفاده قرار گیرد. اثر ترموالکتریک (Thermoelectric Effect) یکی از فناوری‌های کلیدی در این زمینه است که بر پایه‌ی حرکت الکترون‌ها در اثر اختلاف دما عمل می‌کند و گرما را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید.

اما چالش اصلی در استفاده از این فناوری، وابستگی مواد ترموالکتریک سنتی به عناصر سمی و گران‌قیمت مانند سرب، جیوه و کادمیوم است. به همین دلیل، دانشمندان به دنبال جایگزین‌های سازگار با محیط زیست و مقرون‌به‌صرفه برای این فناوری هستند.

فناوری استفاده از لیگنین برای تولید برق چگونه کار می‌کند؟

بنابر گزارش Science Alert، گروهی از محققان از دانشگاه لیمریک و دانشگاه والنسیا توانسته‌اند از لیگنین (Lignin) (یکی از محصولات جانبی صنعت چوب و کاغذ) به‌عنوان یک ماده‌ی ترموالکتریک طبیعی استفاده کنند.

بنابر مقاله‌ای که در این باب منتشر شده، محققان موفق به تولید غشایی از لیگنین شدند که دارای ساختاری منظم و کانال‌های ویژه برای بهبود حرکت یون‌ها است. این غشا به دلیل پایداری حرارتی بالا و توانایی جذب مناسب، گزینه‌ای مناسب برای بازیابی گرمای هدررفته محسوب می‌شود.

نمونه‌ای از این غشا که شامل ۶۹.۲ درصد لیگنین و محلول KOH (هیدروکسید پتاسیم حل‌شده در آب) است، توانست عملکرد بالایی در تبدیل گرما به برق داشته باشد. نتایج کسب شده نشان داده که این فناوری می‌تواند گامی مهم در تولید پایدار انرژی از گرمای محیط باشد و مسیر تحقیقات آینده در این حوزه را هموار کند.

در این روش نیاز به استفاده از هیچ سوخت یا منبع مشخصی برای تولید برق نیست و گرمای محیط، موجب تولید انرژی الکتریکی می‌شود.

این روش از غشاهای لیگنین که در محلول‌های نمکی غوطه‌ور شده‌اند، استفاده می‌کند. هنگامی که اختلاف دمایی بین دو سمت غشا ایجاد می‌شود:

• یون‌های مثبت به سمت ناحیه‌ی سردتر حرکت می‌کنند.
• یون‌های منفی به سمت ناحیه‌ی گرم‌تر جابه‌جا می‌شوند.

این حرکت یونی یک اختلاف پتانسیل الکتریکی تولید می‌کند که می‌تواند برای تولید برق پایدار و تجدیدپذیر در مقیاس‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

مهم‌تر از همه، این روش می‌تواند از دمای پایین‌تر از ۲۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد برای تولید برق استفاده کند. این دما در مناطق بیابانی، نواحی ساحلی گرمسیری و مناطق صنعتی گرم‌شده با نور خورشید کاملاً در دسترس است.

جالب است بدانید که پیش از این گروهی از  پژوهشگران سوئدی نیز با الهام از ویژگی‌های لیگنین، موفق به تولید باتری‌های روی-لیگنین برای ذخیره ارزان‌تر انرژی شده بودند.

میزان برق تولیدی روش غشای لیگنین

طبق یافته‌های دانشمندان بهترین بازه برای عملکرد این فناوری، دمای بین 80 تا 150 درجه سانتیگراد است. اما شاید این‌طور تصور شود که چنین دمایی اصولاً در هیچ کجای کره زمین وجود ندارد. در پاسخ به این ابهام باید گفت که به راحتی و با استفاده از متمرکزکننده‌های نور می‌توان به چنین دماهایی دست یافت؛ این متمرکزکننده‌ها می‌توانند از شیشه‌های بسیار ساده و در ابعاد وسیع ساخته شوند. هر چه دمای محیط بالاتر باشد نیز هزینه ساخت و استفاده از این شیشه‌ها کمتر خواهد بود.

هر مترمربع غشا می‌تواند بین ۱۰ تا ۵۰ میلی‌وات برق تولید کند. این روش برای تأمین برق دستگاه‌های کم‌مصرف، سنسورها، و بهینه‌سازی مصرف انرژی در صنایع بسیار مفید است.

در نتیجه می‌توان گفت، در حالی که سلول‌های خورشیدی برای تولید برق در مقیاس‌های بزرگ‌تر مناسب‌تر هستند، فناوری تولید برق از لیگنین در مناطق با گرمای پخش‌شده (بدون نیاز به نور مستقیم خورشید) و در محیط‌های بسته مانند صنایع و ساختمان‌ها کاربردی‌تر خواهد بود.

کاربردهای بالقوه در مناطق گرم زمین

تولید برق در بیابان‌ها

مناطق بیابانی که با تابش مستقیم و شدید نور خورشید مواجه هستند، می‌توانند از این فناوری برای تولید برق استفاده کنند. گرمای محیط، بدون نیاز به تجهیزات پیچیده‌ی فتوولتائیک (مانند سلول‌های خورشیدی سنتی)، مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

منابع برق پایدار در مناطق دورافتاده

این فناوری می‌تواند به برق‌رسانی به روستاهای دورافتاده در کشورهای گرمسیری مانند هند، کشورهای شمال آفریقا، خاورمیانه و بخش‌هایی از آمریکای جنوبی کمک کند.

بهینه‌سازی صنایع در مناطق گرم

صنایعی که در نواحی گرم و بیابانی مستقر هستند، می‌توانند از این فناوری برای بازیابی انرژی هدررفته از گرمای محیط و کاهش وابستگی به برق شبکه‌ای استفاده کنند. همچنین به صورت بسیار گسترده‌ای نیز می‌توان گرمای تولیدی صنایع را پیش از ورود به جو، مورد استفاده قرار داد. این فناوری در صورت استفاده گسترده حتی در مناطق دیگر نیز بسیار کارآمد و اثرگذار خواهد بود.

طراحی شهرهای هوشمند مقاوم در برابر تغییرات اقلیمی

با گسترش شهرهای مدرن در مناطق گرمسیری، این فناوری می‌تواند در زیرساخت‌های شهری برای تأمین برق پایدار و کاهش نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده پرمصرف مورد استفاده قرار گیرد.

آینده‌ای پایدار برای تأمین انرژی در مناطق گرم زمین

این فناوری نوین، امکان تبدیل گرمای محیط به برق را بدون نیاز به تجهیزات پیچیده و پرهزینه فراهم می‌کند. با استفاده از مواد طبیعی مانند لیگنین و کربن متخلخل، می‌توان یک سامانه‌ی پاک، اقتصادی و پایدار برای تولید و ذخیره‌ی انرژی در مناطق گرمسیری و بیابانی ایجاد کرد.

با توسعه‌ی این فناوری، مناطق خشک و گرم که تاکنون به‌عنوان مناطقی چالش‌برانگیز برای تولید انرژی در نظر گرفته می‌شدند، می‌توانند به مراکز تولید برق پایدار و سبز تبدیل شوند.

این نوآوری می‌تواند نه‌تنها وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد، بلکه به کاهش اثرات گرمایش جهانی و استفاده‌ی بهینه از انرژی‌های تجدیدپذیر در مناطق گرم زمین کمک کند.