بازی با گرافن در نسل جدید ابرخازنها

در‌این خصوص بتازگی گروهی از محققان در آمریکا با‌استفاده از ماده ارزشمند «گرافن» ابرخازن‌های جدیدی طراحی کرده‌اند که با استفاده از آن می‌توان به آینده ذخیره‌سازی بهتر انرژی‌های تولید شده امیدوار بود. دکتر راندی راف از دپارتمان مهندسی مکانیک دانشگاه تگزاس که در صدر تیم تحقیقاتی این پروژه قرار دارد، در گفتگو با «سیب» از کاربردها و سایر نکات مرتبط با این فناوری نوین صحبت می‌کند.

چرا ذخیره‌سازی انرژی و تجهیزات مرتبط با آن تا این حد مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است؟

پاسخ خیلی روشن است. زمانی که شما با کمبود انرژی مواجه هستید و تلاش می‌کنید با استفاده از تکنیک‌های نوین این کمبود را جبران کنید، نیاز به تجهیزاتی دارید تا بتوان این انرژی تولید شده را در آنها ذخیره کرد. حال هیچ تفاوتی نمی‌کند درباره چه نوع انرژی‌ای صحبت کنید. انرژی الکتریکی که تولید می‌شود، می‌تواند از توربین‌های بادی یا آبی یا نظایر آنها باشد. در حال حاضر تجهیزات و ذخیره‌کننده‌هایی از این دست وجود دارند اما در برابر افزایش احتمالی تقاضاها قابل اطمینان نیستند. یعنی نمی‌توان آنها را برای استفاده‌های کلانشهری و صنعتی به کار گرفت.

مزیت کار جدیدی که شما در شرکت <گرافن انرژی> ارائه کرده‌اید، در مقایسه با سایر فناوری‌های مشابه موجود در چیست؟

در حال حاضر ابرخازن‌های ذخیره‌کننده انرژی متعددی در قالب فناوری‌های مختلف وجود دارند که تا حدی انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کنند، اما این کافی نیست. ما برای افزایش این ظرفیت کارهای زیادی انجام داده و مواد مختلفی را مورد آزمایش قرار دادیم و در نهایت به این حقیقت رسیدیم که گرافن همان ماده‌ای است که باید روی آن حساب کنیم. برای این منظور با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای الکترودهای مخصوصی را با استفاده از ورقه‌های گرافنی کربنی تهیه کردیم که ویژگی‌های بسیار ممتازی دارند.

کمی درباره این ویژگی‌ها صحبت کنید.

این صفحات گرافنی دارای ضخامت تقریبا ناچیزی هستند و بی‌شک همین ضخامت بسیار کم رمز موفقیت پروژه بوده است. برآوردهای ما نشان داده که ضخامت این ورقه‌ها تنها به اندازه یک اتم است. در اینجا باید به نکته مهمی توجه کرد. در حال حاضر ابرخازن‌هایی که در صنایع مختلف به کار گرفته می‌شوند، دارای محدودیت‌های کاربردی گوناگونی هستند و جالب این است که این محدودیت‌ها عمدتا به سطوح الکترودهای به کار گرفته شده در آنها بازمی‌گردد. ما با بررسی‌هایی که روی ساختار طبیعی گرافن و مشخصه‌های شیمیایی آن انجام دادیم، دریافتیم سطوح ارائه شده از این ماده، بازده بالاتری در ذخیره‌سازی انرژی دارند.

فکر می‌کنید چه کاربردهایی برای این فناوری می‌توان متصور شد؟

کاربردها متنوع هستند. شما می‌توانید از این ابرخازن‌ها برای تنظیم جریان برق موجود در شبکه‌های برق استفاده کنید تا آسیب‌های کمتری به سامانه‌های مرتبط با آن وارد شود. همچنین ما امیدواریم از آن در طیف گسترده‌ای از سامانه‌های حمل‌ونقل درون‌شهری استفاده کنیم. هم‌اکنون برخی ابزار‌آلات صنعتی با استفاده از نسخه ابتدایی این فناوری کار می‌کنند، اما ما تلاش داریم با استفاده از ابرخازن‌های قدرتمندتر و قابل اطمینان‌تر برای راه‌اندازی تجهیزات صنعتی بزرگ‌تر نیز استفاده کنیم.

مهم‌ترین مزیت استفاده از گرافن در این فرآیند چیست؟

استفاده از این ماده مزایای مختلفی دارد. خروجی قابل توجه ابرخازن‌هایی که با استفاده از الکترودهای گرافنی ساخته می‌شوند، از جمله این مزایاست که تا پیش از این در ابرخازن‌های ساخته شده دیده نشده بود. ما در این فرآیند ابتدا اکسید گرافن را در حلال آبی قرار می‌دهیم. این کار موجب می‌شود گرافن به صورت خودکار به ورقه‌های بسیار نازک و پولکی اکسید گرافن تبدیل شود و نکته جالب این است که ضخامت این صفحات در حد اتم است. در مرحله بعد اتم‌های اکسیژن از مدار خارج می‌شوند تا الکترود گرافنی برای استفاده آماده شود.

آیا در حال حاضر تلاش‌های مشابهی نیز در گوشه و کنار دنیا در حال انجام است؟

این مقوله جذاب، آینده روشنی دارد که هنوز تحقیقات عمده‌ای در زمینه آن انجام نشده است. با این حال در گوشه و کنار جهان کارهای تحقیقاتی در حال انجام است که برخی از آنها قابلیت ارائه شدن در ابعاد صنعتی و نیمه‌صنعتی را نیز دارند. در این میان برخی از دانشمندان به سراغ نانولوله‌های کربنی رفته‌اند تا از ویژگی‌های خاص آنها از جمله ضریب بالای استحکام و رسانش خوب الکتریکی که دارند استفاده کنند. با این حال باید گفت تمام فناوری‌هایی که در این زمینه ارائه می‌شوند، همگی هدفی مشخص و مشابه دارند و آن چیزی نیست جز افزایش توان ذخیره‌سازی انرژی در ذخیره‌کننده‌ها.

چه برنامه‌ای برای توسعه این فناوری نوین دارید؟

ما هم‌اکنون در ابتدای راه هستیم. این ابرخازن‌ها باز هم قابلیت توسعه و افزایش بازده ذخیره انرژی را دارند و همان‌طور که ما برای این منظور به استفاده از گرافن روی آوردیم، ممکن است در آینده‌ای نه چندان دور مواد بهتری پیدا شوند که توسعه این دانش را تسریع ببخشند. اکنون در تلاش هستیم این فناوری را به مرحله تولید نیمه‌صنعتی و صنعتی برسانیم و آن را در اختیار کارخانجات و مراکز مختلف تحقیقاتی قرار دهیم.

دکتر راندی راف در یک نگاه

دکتر راندی راف، از محققان برجسته دپارتمان مهندسی مکانیک دانشگاه تگزاس، در خصوص تحقیقات مرتبط با ابرخازن‌ها و دانش نانو و همچنین قابلیت‌های کاربردی این فناوری نوین آزمایشگاه بزرگی راه‌اندازی کرده است.

وی در گذشته همکاری نزدیکی با انستیتوی ماکس پلانک آلمان داشت و در سال‌های اخیر نیز تحقیقات گسترده‌ای در زمینه فیزیک مولکولی و توسعه دانش نانو داشته است. وی عضو برجسته انجمن‌های علوم شیمیایی، فیزیک و علوم مواد آمریکا نیز هست.

مهدی پیرگزی