نوآوری در تولید انرژی خورشیدی

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، انرژی خورشیدی یک نقطه ضعف ساده، اما آزاردهنده دارد. وقتی خورشید نمی‌تابد، ناپدید می‌شود. حتی کارآمدترین سیستم‌ها نیز با این واقعیت اساسی دست و پنجه نرم می‌کنند. نبود نور خورشید به معنای نبود انرژی است. دانشمندان مدت‌هاست که سعی کرده‌اند با ذخیره انرژی خورشیدی به صورت گرما، این مشکل را برطرف کنند، اما انجام کارآمد آن دشوار بوده است.

 بیشتر طرح‌ها به روی هم چیدن مواد مختلف متکی هستند یکی برای جذب نور خورشید، دیگری برای ذخیره گرما و سپس دیگری برای محافظت از سیستم. این لایه‌ها به طور یکپارچه کار نمی‌کنند و در هر مرزی انرژی هدر می‌دهند.

اکنون، محققان رویکرد بسیار متفاوتی را برای غلبه بر این مشکل اتخاذ کرده‌اند. به جای مونتاژ چندین قطعه، آنها چوب را به یک سیستم انرژی خورشیدی همه کاره تبدیل کرده‌اند.

آنها با طراحی مجدد ساختار داخلی آن در مقیاس نانو، ماده‌ای ایجاد کرده‌اند که می‌تواند نور خورشید را جذب کند، آن را به صورت گرما ذخیره کند و حتی پس از خاموش شدن نور، به تولید برق ادامه دهد.

بازسازی چوب از داخل

محققان با چوب بالسا شروع کردند، نه به خاطر استحکام آن، بلکه به خاطر معماری داخلی آن. در زیر میکروسکوپ، بالسا مانند دسته‌ای از میکرولوله‌های هم‌تراز به نظر می‌رسد که هر کدام حدود ۲۰ تا ۵۰ میکرومتر عرض دارند. این کانال‌ها می‌توانند گرما را هدایت کرده و مواد را نگه دارند و آنها را به یک داربست طبیعی تبدیل کنند.

با این حال، چوب خام نور خورشید را منعکس کرده و آب را جذب می‌کند؛ بنابراین محققان ابتدا چوب را از لیگنین، جزئی که به آن رنگ و استحکام می‌دهد، عاری کردند. این مرحله لیگنین‌زدایی، تخلخل را به بالای ۹۳ درصد افزایش داد و شبکه‌ای متراکم از سطوح واکنش‌پذیر را در داخل کانال‌ها نمایان کرد.

به این فکر کنید که چوب را خالی کرده و آن را به یک اسفنج بسیار متخلخل تبدیل می‌کنند، اما اسفنجی که هنوز ساختار جهت‌دار خود را حفظ می‌کند. در مرحله بعد، به جای سوزاندن چوب، سطوح داخلی آن را به صورت شیمیایی مهندسی کردند.

آنها دیواره‌های کانال را با ورق‌های بسیار نازک فسفرین سیاه پوشش دادند که ماده‌ای است که نور خورشید را در طول موج‌های فرابنفش، مرئی و مادون قرمز جذب می‌کند و آن را به گرما تبدیل می‌کند. برخلاف کربن، فسفرین همچنین خواص ضد شعله دارد، اما یک نقطه ضعف دارد. به سرعت در هوا تجزیه می‌شود.

برای حل این مشکل، محققان هر نانوورقه را در یک لایه محافظ ساخته شده از اسید تانیک و یون‌های آهن پیچیدند. این شبکه فلزی-پلی فنول مانند یک سپر مولکولی عمل می‌کند و از اکسیداسیون جلوگیری می‌کند و در عین حال جذب نور را از طریق اثرات انتقال بار بهبود می‌بخشد. حتی پس از ۱۵۰ روز قرار گرفتن در معرض نور خورشید، ماده پوشش داده شده پایدار ماند.

یک سیستم ذخیره‌سازی بادوام، کارآمد و ضد آب

سپس این گروه نانوذرات نقره را اضافه کردند که نحوه تعامل ماده با نور خورشید را تقویت می‌کنند. در نهایت، آنها زنجیره‌های هیدروکربنی طولانی را روی سطح پیوند زدند و آن را به شدت ضد آب کردند. ساختار نهایی زاویه تماس ۱۵۳ درجه داشت، به این معنی که آب به راحتی می‌غلتد.

این سیستم حدود ۱۷۵ کیلوژول گرما در هر کیلوگرم ذخیره کرد، ۹۱.۲۷ درصد از نور خورشید ورودی را به گرمای قابل استفاده تبدیل کرد، گرما را تقریباً ۳.۹ برابر کارآمدتر در امتداد الیاف طبیعی چوب هدایت کرد و هنگامی که با یک ژنراتور ترموالکتریک جفت شد، تحت تابش استاندارد تک خورشیدی تا ۰.۶۵ ولت انرژی تولید کرد.

وقتی نور خورشید به این ماده برخورد می‌کند، گرم شده و اسید استئاریک جاسازی‌شده را ذوب می‌کند. وقتی نور حذف می‌شود، گرمای ذخیره‌شده به تدریج آزاد می‌شود و اختلاف دما را در یک ژنراتور ترموالکتریک حفظ می‌کند. این امر به سیستم اجازه می‌دهد حتی پس از رفتن منبع نور، به تولید برق ادامه دهد.

علاوه بر این، این ماده بادوام بود. پس از ۱۰۰ چرخه گرمایش-سرمایش، عملکرد آن به سختی تغییر کرد. با خاموش شدن خودکار در عرض دو دقیقه در برابر سوختن مقاومت کرد و سطح ضدمیکروبی آن از رشد باکتری‌هایی که می‌توانند عملکرد در فضای باز را کاهش دهند، جلوگیری کرد.

پتانسیل بالای ذخیره‌سازی خورشیدی با استفاده از چوب

این کار روشی ساده برای ساخت یک سیستم خورشیدی بسیار کارآمد ارائه می‌دهد. در اینجا، چوب فقط یک ساختار پشتیبان نیست؛ بلکه نور خورشید را جذب می‌کند، گرما را ذخیره می‌کند و همزمان از خود محافظت می‌کند.

علاوه بر این، این ایده می‌تواند فراتر از انرژی خورشیدی باشد. طرح‌های مشابه ممکن است به مدیریت گرما در الکترونیک کمک کنند، مصالح ساختمانی با بهره‌وری انرژی را بهبود بخشند یا از سیستم‌های برق کوچک و خارج از شبکه که در آنها قابلیت اطمینان بیش از خروجی اوج اهمیت دارد، پشتیبانی کنند.

با این حال، اینها احتمالات آینده هستند. ابتدا، محققان باید مطمئن شوند که سیستم آنها می‌تواند در مقیاس بزرگ کار کند و در عین حال خروجی انرژی مطلوب را ارائه دهد.

در صورت موفقیت، می‌تواند با سایر نانومواد و ساختار‌های زیست توده سازگار شود و نسل جدیدی از سیستم‌های انرژی خورشیدی را ایجاد کند که قادر به جذب، ذخیره و مدیریت انرژی به تنهایی هستند.