محققان از نانوورقههای اکسید گرافن، نانوکانالهایی ساختند که این امکان را فراهم میکند که «انرژی اقیانوس» را استخراج کنند.
اقیانوسها بیش از ۷۰ درصد از سطح زمین را پوشاندهاند و ظرفین عظیمی برای انرژیهای تجدیدپذیر و پاک فراهم میکنند. محققان مؤسسه تحقیقاتی مرزهای علم مواد (Institute for Frontier Materials) در استرالیا امیدوارند که بتوانند از این ظرفیت استفاده کنند.
آنها در مقالهای که در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است، توضیح دادند که فناوری جدید پیشرفته غشای نانومواد دو بُعدی چگونه میتواند فرآیندهای استخراج انرژی آبی (blue energy harvesting) را بهبود بخشد. انرژی آبی یک انرژی تجدیدپذیر است که از اختلاف محتوای نمک بین آب رودخانه و آب دریا برای تولید برق استفاده میکند.
دکتر وِیوِی لی (Weiwei Lei) که طرح تولید انرژی پایدار را در این مؤسسه سرپرستی میکند، گفت: انرژی اقیانوس از پنج شکل تشکیل شده است (که عبارتند از جزر و مد، امواج آب، جریانهای اقیانوس، گرادیان دما و توان گرادیان شوری) و یک منبع انرژی جایگزین بالقوه را ارائه میکند؛ بنابراین، استخراج انرژی اقیانوسی با دستگاههای مصنوعی زیادی را به خود جلب کرده است؛ به ویژه، توان گرادیان شوری که توان اُسمُزی یا انرژی آبی نیز نامیده میشود و توسعه انرژیهای تجدیدپذیر را نوید میدهد.
این انرژی ظرفیت یک تراوات (۸۵۰۰ تراوات ساعت در سال) را دارد که از مجموع انرژی هیدرولیک، هستهای، بادی و خورشیدی در سال ۲۰۱۵ میلادی بیشتر است.
با توسعه فناوری نانو و نانومواد دو بُعدی، غشاهای جدید نانومواد دوبعدی با نانومنافذ و نانوکانالها برای استخراج انرژی آبی طراحی شدند اما بهرهوری استخراج انرژی این غشاها به دلیل مقاومت داخلی بالا و گزینشپذیری پایین یونها، هنوز برای پاسخگویی به نیازهای کاربردهای عملی بسیار اندک است.
لی و اعضای گروهش از یک راهبرد برای بهینهسازی نانوکانالها در غشاهای نانومواد دو بُعدی بهمنظور استخراج انرژی بیشتر از حجمهای بالاتر آب رونمایی کردند.
آنها بهمنظور دستیابی به این هدف، نانوکانالهایی را از نانوصفحات اکسید گرافن ساختند. ورقهها از نظر شیمیایی لایهبرداری میشوند و قطعات نانوورق واکنشی (قطعات اکسیداتیو) را تکان میدهند که در شرایط قلیایی شارژ میشوند. کانالهای دارای بار منفی، یونهای مثبت را در آب دریا جذب میکنند. پس از آن، فشار اسمزی میتواند یونها را در کانالها هُل دهد تا جریان خالصی ایجاد کند که بتوان آن را استخراج کرد. این راهبرد تولید انرژی را به اندازهای افزایش میدهد که بتوان یک دستگاه الکترونیکی کوچک را تأمین کرد.
به گفته دانشمندان، میتوان انرژی بیشتری از حجمهای بالای آب استخراج کرد. این افزایش تولید انرژی به دلیل کانالهای نانویی بزرگشده همراه با افزایش چگالی بار موضعی قطعات اکسیداتیو جدا شده است. در حال حاضر، این تحقیقات هنوز در مقیاس آزمایشگاهی انجام میشود و دانشمندان در حال برنامهریزی برای خرید تسهیلات بزرگ برای ساخت غشا و استفاده از آن در مقیاس بزرگ هستند.
دکتر لی یادآور شد: فکر میکنیم در دنیای واقعی میتوان غشاها را در دهانه رودخانهها یا در نقاط خروجی پساب صنعتی نصب کرد. پساب کارخانهها یا صنایع دارای یونهای بار سطحی متفاوت با غلظت بالاتر از آب معمولی است. اگر بتوانیم غشای خود را قبل از برخورد فاضلاب به آبراههای طبیعی، در انتهای فرآیند قرار دهیم، میتوانیم انرژی را استخراج و آب را تصفیه کنیم.