خلاقیت‌های علمی در راه تولید برق

از همان زمان که توماس ادیسون برای نخستین بار لامپ روشنایی را با استفاده از جریان الکتریسیته روشن کرد، دستیابی به منابع پایدار تولیدکننده این انرژی یکی از موضوعات اصلی مورد توجه او و دانشمندان پس از او بوده است. البته در آن دوران و با توجه به پیشرفت‌های جسته و گریخته‌ای که در زمینه دانش سدسازی و ساخت توربین‌های متنوع صورت می‌گرفت، دستیابی به منابع تولید برق چندان مایه نگرانی نبوده است، اما با گذشت زمان و افزایش خیره‌کننده جمعیت زمین و به دنبال آن رشد تصاعدی کاربران سیستم‌های مختلف الکتریکی و از آن مهمتر توسعه خیره‌کننده صنایع گوناگونی که تنها با برق کار می‌کنند، موجبات نگرانی دانشمندان برای ارائه شیوه‌های نوین و اقتصادی‌تر تولید مستمر برق را فراهم کرده است.

کد خبر: ۲۶۹۹۵۶

استفاده از سلول‌های خورشیدی، رویکرد مهم دانشمندان در چند دهه گذشته به عنوان راهکاری موثر برای تولید برق به روشی پاک و در عین حال مستمر بوده است. همچنین توربین‌های بادی در کنار توربین‌های نصب شده در سدها نیز شیوه‌ای قابل اطمینان برای تولید برق در سطح کلان بوده‌اند، اما حس کنجکاو و ماجراجوی بشر همواره راه را برای نوآوری در تمامی عرصه‌ها باز گذاشته است. شاید تا دیروز تولید برق با استفاده از سلول‌های خورشیدی راهکاری خلاقانه برای تولید و ذخیره‌سازی انرژی الکتریسیته بوده است اما امروز این تکنیک به عنوان راهکاری قدیمی شناخته می‌شود. در سال‌های اخیر صحبت راه رفتن روی سطوح خاص با هدف تولید مستمر برق است. از آن گذشته در سال‌های گذشته ابداعات جالب توجهی نیز در زمینه تولید برق با استفاده از سلول‌های خورشیدی صورت گرفته است. استفاده از آینه‌های مخصوص برای متمرکز ساختن نور خورشید روی صفحات که با هدف افزایش تولید برق خورشیدی صورت می‌گیرد از آن جمله است. اما این تازه آغاز یک ماجراجویی هیجان‌انگیز است چون به تازگی صحبت از استفاده از کایت‌ها برای تولید برق آن هم با توجیه اقتصادی مطرح شده است.

برآوردها نشان می‌دهند اگر تنها 3/0 درصد از سطح صحرای سوزان ساهارا در آفریقا با سلول‌های خورشیدی پوشیده شود کل نیاز سراسر اروپا به انرژی الکتریکی برطرف می‌شود. پروژه Desertec Foundation که ابتکار تحقیقاتی مشترک محققان آلمان و اردن است با هدف تحقق همین رویا آغاز به کار کرده است. محققان این شرکت بر این باورند که اگر این رقم به یک درصد برسد می‌توان تمام برق دنیا را تامین کرد. در راستای این پروژه برنامه‌های گسترده‌ای برای راه‌اندازی سلول‌های خورشیدی در سطح کلان طی 10 تا 15 سال آینده در شمال آفریقا ارائه شده است. پیشبینی دانشمندان بر این است که در صورت عملی شدن این ایده بالغ بر یکصد گیگاوات برق خورشیدی تولید شود که برای انتقال آن به اروپا و تامین برق مورد نیاز 15 درصد از سراسر این قاره، از کابل‌های قدرتمندی استفاده می‌شود که زیر دریای مدیترانه خوابیده‌اند. البته برای تحقق قطعی این ایده به سرمایه‌گذاری کلانی درحدود 400 میلیارد دلار نیاز است که عملا از عهده یک یا دو کشور خارج است. اما همان‌گونه که گفته شد استفاده از صفحات خورشیدی برای تولید خلاقانه برق، شیوه جدیدی نیست.

دانشمندان چندی است که روی ایده منحصربه‌فردی همچون کایت‌های ویژه پرواز در ارتفاع بالا برای تولید برق کار می‌کنند. تا همین چند سال پیش این‌گونه برآورد می‌شد که آسمان‌ها برای تولید برق به روش توربین‌های بادی محل چندان مناسبی به شمار نمی‌آیند، اما اکنون موتورهای ستونی ارائه شده‌اند که در مایل‌ها بالاتر از سطح زمین قابلیت تولید برق از توربین‌های باید را دارند. نکته جالب توجه درباره این موتورها این است که برخلاف سایر تکنیک‌های ارائه شده برای تولید برق که با توجه به مختصات جغرافیایی با محدودیت‌های زیادی همراه هستند، هیچ محدودیتی در هیچ نقطه‌ای از دنیا برای به کار گرفته شدن ندارند. کن کالدیرا از دپارتمان اکولوژی جهانی انستیتو کارنگی در کالیفرنیا می‌گوید: در بادهایی که در ارتفاعات بالا می‌وزد حجم خیره‌کننده‌ای از انرژی وجود دارد. این بادها در مقایسه با بادهایی که در نزدیک به سطح زمین می‌وزند بسیار قدرتمندتر و در عین حال پایدارترند اما برای رسیدن به آن ارتفاعات باید کیلومترها بالا رفت. ارتفاع ایده‌آلی که برای این منظور در نظر گرفته شده است بالغ بر 10 کیلومتر است. اما نکته حیرت‌آور این است که اگر توربین‌های بادی که در این ارتفاع راه‌اندازی می‌شوند تنها وسعتی بالغ بر 10 درصد سطح زمین را اشغال کنند، انرژی الکتریکی که از بابت فعالیت آنها تولید می‌شود تا 100 برابر نیاز برق سراسر جهان را تامین می‌کند. جریان‌های بسیار شدید بادی که در حد فاصل ارتفاع 6 تا 20 کیلومتری سطح زمین می‌وزند از قدرت خیره‌کننده‌ای برخوردارند. البته شدت این بادها بر اساس فصول مختلف سال با تغییراتی همراه هستند اما در کل به عنوان یکی از مشخصه‌های اصلی و همیشگی اتمسفر زمین محسوب می‌شوند. محاسبات مختلف دانشمندان نشان داده که این بادها همواره پایدار هستند و در مقایسه با بادهایی که در نزدیکی سطح زمین می‌وزند تا 10 بار سریعتر هستند. این ویژگی‌ها کافی است تا به این جریان‌های بادی به عنوان منبع قابل اطمینان و کلان انرژی نگاه شود.

اما پرسش اساسی این است که چگونه انرژی کلان نهفته در بادهایی که در این ارتفاع می‌وزند را به دست آورد؟ پاسخ تنها این عبارت است: کایت‌ها و سیستم مهارکننده آنها.

برآوردها نشان می‌دهند اگر تنها 3/0 درصد از سطح صحرای شمال آفریقا با سلول‌های خورشیدی پوشیده شود کل نیاز سراسر اروپا به انرژی الکتریکی برطرف می‌شود

تاکنون طیف گسترده‌ای از فناوری‌ها برای به دام انداختن انرژی نهفته در بادهای مرتفع زمین مورد آزمایش قرار گرفته‌اند که از آن جمله باید به توربین‌های کایتی شکلی اشاره کرد که کیلومترها بالاتر از سطح زمین شناور هستند و به وسیله سیستم مهارکننده‌ای کنترل می‌شوند. در صورتی که این ایده تحقق پیدا کند تا 40 مگاوات برق می‌توان در ارتفاعات بالای اتمسفر زمین تولید کرده و از طریق کابل‌های مهارکننده به زمین و نیروگاه‌ها منتقل کرد. در ماه‌های گذشته محققان با استفاده از داده‌های آب و هوایی 28 سال گذشته توانسته‌اند تا نخستین بررسی جهانی درباره انرژی باد در ارتفاعات بالا را انجام دهند. کریستینا آشر از دانشمندان علوم اتمسفریک در دانشگاه دولتی کالیفرنیا می‌گوید: ما دریافتهایم که متراکمترین انرژی بادی در ارتفاعات بالا، بر فراز ژاپن، شرق چین، ساحل شرقی آمریکا، جنوب استرالیا و شمال شرق آفریقا وجود دارد. آشر ادامه می‌دهد: در چنین مناطقی به ازای هر مترمربع حدود 10‌‌کیلووات الکتریسیته تولید می‌شود. البته نمی‌توان چنین عددی را برای مناطق نزدیک به سطح زمین متصور شد، جایی که حتی در بهترین شرایط معمولا کمتر از یک کیلووات برق به ازای هر مترمربع سطح، تولید می‌شود. اما در کدام نقاط دنیا می‌توان در ارتفاعات برق بیشتری تولید کرد؟ تجزیه و تحلیل‌ها نشان داده‌اند که در ارتفاعات مناطقی نظیر توکیو، نیویورک، سائوپائولو، سئول و مکزیکوسیتی بیشترین انرژی را از جریان باد می‌توان به دست آورد. آشر در این باره نیز می‌گوید: در ارتفاعات شهری نظیر نیویورک به ازای هر مترمربع 16 کیلووات برق از جریان باد تولید می‌شود که حقیقتا فرآیندی امیدوارکننده است.

اما اکنون یک مساله جدید مطرح می‌شود. تحقق چنین ایده‌ای، آن هم در ابعاد بسیار وسیع ممکن است به ایجاد تغییراتی در الگوهای چرخشی هوای اطراف زمین منجر شود و در نتیجه بر شرایط منطقه‌ای و محلی زمین تاثیرگذار شوند. دانشمندان با انجام شبیه‌سازی‌های مختلف به این نتیجه رسیده‌اند اگر چنین توربین‌هایی در سطح بسیار وسیع در ارتفاعات به کار گرفته شوند، در حکم پوشش وسیعی عمل می‌کنند که در نهایت موجب سرمایش نسبی زمین می‌شوند و این نتیجه‌ای ندارد جز افزایش ضخامت یخ‌های در حال آب شدن زمین که می‌تواند خبر خوشی برای دانشمندان و مردم جهان باشد. در کل اطمینان خاطری برای دانشمندان ایجاد شده است که اگر توسعه این فناوری تنها متناسب با میزان تقاضای جهانی صورت گیرد و نه بیشتر، تا 70 سال آینده هیچ تاثیر قابل توجهی بر اوضاع جوی زمین ایجاد نخواهد شد.

گرچه این ایده که در آستانه تبدیل شدن به یک پروژه عظیم علمی قرار دارد در نوع خود خیز بلندی به سوی حل بحران انرژی در دنیا محسوب می‌شود، اما باید پذیرفت این پروژه و ایده‌هایی همچون آن به تنهایی نیاز آینده بشر به انرژی و برق را تامین نمی‌کنند.

استفاده از نانوذرات در تولید برق

محققان به تازگی موفق شده‌اند تا از گرام اما به روشی تازه انرژی الکتریسیته تولید کنند. این تکنیک نوین به وسیله به دام انداختن مولکول‌های ارگانیکی میان نانوذرات فلزی صورت می‌گیرد. دانشمندان این یافته را راهی نوین برای طراحی و ساخت یخچال‌های ارزانقیمت و در نهایت دستیابی به منبعی با راندمان بالا در تولید انرژی عنوان می‌کنند. در حال حاضر حدود 90 درصد الکتریسیته دنیا به وسیله سوزاندن سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. در این فرآیند گرمای زیادی تولید می‌شود که غالبا به شکل بخار است. این بخار توربینی را می‌چرخاند که به واسطه آن ژنراتوری برای تولید برق به کار می‌افتد، اما این روش یک تکنیک غیرمستقیم محسوب می‌شود و در این فرآیند مقدار زیادی گرما تلف می‌شود و البته به دنبال آن انرژی قابل توجهی نیز فرار می‌کند! محققان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی می‌گویند: برای تولید یک وات انرژی به حدود 3 وات حرارت ورودی نیاز است که البته نسبت چندان جالب توجهی به شمار نمی‌آید. 50 سال است که دانشمندان در تلاشند شیوه‌ای مناسب برای استفاده از این حرارت تلف شده ارائه کنند. آنها به این نتیجه رسیده‌اند که حتی اگر کسر بسیار کمی از این حرارت تلف شده به انرژی الکتریسیته تبدیل شود باید آن را پیروزی بزرگی در کاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی به شمار آورد، اما مشکل اینجاست که دمای حرارتی که در این فرآیند آزاد می‌شود برای به کار گرفته شدن در موتورهای حرارتی سنتی بسیار کم است، بنابراین محققان در مدت‌ها پیش کار روی طراحی و تولید مبدل‌های ترموالکتریکی را برای تبدیل این حرارت به الکتریسیته آن هم به شیوه‌ای مستقیم‌تر آغاز کرده‌اند.

این مبدل‌ها بر مبنای پدیده‌ای موسوم به تاثیر Seebeck عمل میکنند: هنگامی که محل اتصال دو فلز در دماهای متفاوتی نگاه داشته می‌شوند، تفاوت دمایی موجب می‌شود که این دو فلز واکنش‌های متفاوتی از خود نشان دهند که در نتیجه ولتاژ خاصی تولید می‌شود، اما چنین مبدل‌هایی در مقایسه با موتورهای حرارتی سنتی از راندمان کاری کمتری برخوردارند و اساس کار آنها نیز بر استفاده از فلزات گرانقیمت و کمیاب بوده که همین ویژگی‌ها آنها را برای استفاده کلان غیرکاربردی می‌کند.

در مطالعه‌ای جدید، گروهی از دانشمندان دست به ابتکار جالبی زده‌اند و با پوشاندن الکترودهایی از جنس طلا با 3 نوع مولکول ارگانیکی متفاوت امکان تولید ولتاژ خاصی را فراهم می‌کنند. این برای نخستین بار است که تاثیر Seebeck در مولکول‌های ارگانیکی دیده می‌شود. گرچه این ولتاژ تنها در تک‌‌مولکول‌ها دیده شده است، اما محققان در نظر دارند تا این فرآیند را در چند مولکولی‌ها نیز عملی کنند.

استفاده گسترده از مبدل‌های ترموالکتریکی در صورت بهره‌گیری از مواد ارگانیک در عین حال که ساده‌تر خواهد بود، راندمان کاری بالاتری نیز همراه دارد زیرا این نوع مواد هم ارزان هستند و هم به مقدار فراوان در طبیعت وجود دارند و از آن مهم‌تر این‌که به آسانی نیز قابل پردازش هستند. (گرچه در این مطالعه از الکترودهای طلا استفاده شده است، اما در آینده برای کاربردی شدن این فناوری نوین از الکترودهای سیلیکونی یا آهنی استفاده خواهد شد.) این محققان بر این باورند که استفاده از مولکول‌های ارگانیکی ارزانقیمت و نانوذرات فلزی راهکار موثری برای طراحی و تولید نسل آتی یخچال‌ها و ژنراتورهای برقی پلاستیک و ارزانقیمت است. البته محققان بر این نکته نیز تاکید دارند که همه چیز هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد، اما نسبت به آینده بسیار خوشبین هستند.

در کنار تلاش‌هایی از این دست محققانی در آمریکا فناوری نوینی را برای تولید برق ارائه کرده‌اند که مبنای تولید این انرژی در آن صرفا به حرکات بالا و پایین رفتن فرد به هنگام پیاده‌روی مربوط می‌شود. فناوری ابداعی این محققان یک کوله‌پشتی منحصربه‌فرد است که جنبش‌های معمولی فرد در زمان راه رفتن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این دستگاه قابلیت تولید 4/7 وات برق را داشته و به جهت شکل خاصی که دارد از سوی گروه‌های مختلف همچون دانشمندان و محققان میدانی، کارگران و سربازان به کار گرفته خواهد شد. کاربری که به این کوله‌پشتی مخصوص مجهز باشد می‌تواند بدون نیاز به حمل دستگاه‌های حجیم و باتری‌های سنگین، سیستم‌هایی نظیر تلفن همراه، تجهیزات سیستم موقعیت‌یاب جهانی و دستگاه‌های مشابه را شارژ کند. لارنس رام از دانشگاه پنسیلوانیا می‌گوید: برای نخستین بار در جهان است که مقادیر قابل توجهی از انرژی الکتریسیته را از حرکات معمولی بدن انسان تولید کرده‌ایم. نکته مهم این است که تلاش‌های قبلی برای تولید الکتریسیته از راه رفتن مبتنی بر دستگاه‌هایی بوده‌اند که در کفش کاربر جاسازی می‌شدند، اما این تکنیک تنها به تولید 20 میلی‌وات برق منجر می‌شده است که در مقایسه با سرمایه‌گذاری‌های صورت گرفته بسیار ناچیز است. در این میان همواره مشکلی وجود داشته است. گرچه هنگامی که این کفش‌ها با زمین برخورد می‌کنند، نیروی قابل توجهی وارد می‌شود، اما کار مکانیکی کم و حتی قابل چشمپوشی صورت می‌گیرد و این همه به دلیل فاصله بسیار کمی است که گام‌ها یکی پس از دیگری گذاشته می‌شوند. محققان برای غلبه بر این مشکل به این تتیجه رسیدند که تمرکز روی مفصل ران در زمان راه رفتن می‌تواند پاسخی مناسب برای این مشکل باشد چون در این زمان قسمت بالای ران بین 5 تا 7 سانتی‌متر جابه‌جا می‌شود و به گفته لارنس زمانی که دستگاهی همچون این کوله‌پشتی به همراه فرد باشد، آن نیز با هر قدم فرد به همین میزان بالا و پایین می‌رود. تیم تحقیقاتی این پروژه محاسبه کرده است که این تکنیک با تولید کار مکانیکی قابل توجهی آن هم در حدود 18 ژول همراه است که در ادامه به الکتریسیته تبدیل می‌شود.