ابتكار جديد لتوليد الكهرباء من التغيرات اليومية في درجة الحرارة !

اختبر الباحثون في معهد MIT جهاز جديد يمكنه توليد الطاقة من التغيرات اليومية في درجة الحرارة و يمكن استخدامه لشغيل المجسات (الحساسات) و أنظمة الإتصال بشكل مستقل مع أو دون الحاجة للبطاريات .

اختبر الفريق الجهاز على سطح أحد المباني بمعهد MIT لعدة أشهر ليقدم فتحاً علمياً جديداً في مجال حصاد الطاقة ,

حصاد الطاقة من الإختلافات الحرارية ليس جديداً , فمن المعلوم أن هناك أجهزة متاحة بالفعل عند وجود فروق حرارية على سطحيها في الوقت ذاته يتسبب في حدوث فرق في الجهد الكهربي ينتج عنه مرور تيار لمعادلة هذا الفرق في الجهد و من ثم إنتاج الطاقة الكهربائية و كلما ازداد الفارق في درجات الحرارة في الوقت ذاته كلما أمكن توليد تيار كهربي أكبر .

لكن المعضلة هنا هي أن وجود حرارة عالية على أحد السطحين مقابل برودة السطح الآخر هو أمر غير معتاد الحدوث في الطبيعة و يتطلب تجهيزات خاصة و نظام تبريد للحصول على النتيجة المرجوة وهو بلاشك يجعل كفاءة هذا النظام منخفضه .

الجديد في هذا الإبتكار هو أن وجود هذا الفارق في الجهد في و بدلاً من أن يكون في الوقت ذاته , اصبح بالإمكان توليد الكهرباء من التغيرات في درجات الحرارة بين الليل و النهار .

النظام الجديد، الذي يطلق عليه المرنان حراري، يمكن أن يتيح التشغيل المستمر لسنوات طويلة لأنظمة الاستشعار عن بعد، على سبيل المثال، دون الحاجة إلى مصادر طاقة أو بطاريات .

أول مرنان حراري thermal resonator

في حين أن مستويات الطاقة التي تم إنشاؤها من قبل النظام الجديد حتى الآن متواضعة، فإن الاستفادة من مرنان الحرارة هذا هو أنه لا يحتاج إلى أشعة الشمس المباشرة. فإنه يولد الطاقة من التغيرات في درجات الحرارة المحيطة، حتى في الظل. وهذا يعني أنه لا يتأثر بالتغيرات على المدى القصير في الغطاء السحابي أو ظروف الرياح أو الظروف البيئية الأخرى، ويمكن أن يكون موجودا في أي مكان يكون مناسبا – حتى تحت لوحة شمسية، في ظل دائم، حيث يمكن أن يسمح حتى للألواح الشمسية أن تكون أكثر كفاءة من خلال التخلص من النفايات الحرارية .

وقد تبين أن المرنان الحراري يتفوق على المواد الكهرومغناطيسية التجارية ذات الحجم المماثل، وهي طريقة ثابتة لتحويل تقلبات درجات الحرارة إلى كهرباء – بمعامل أكثر من ثلاثة من حيث الطاقة لكل وحدة مساحة.

أدرك الباحثون أنه لإنتاج الطاقة من دورات درجة الحرارة، فإنها تحتاج إلى المواد ذات خاصية معينة غير معرفة كثيراً تسمى الإنبثاق الحراري ( الكفاءة الحرارية) Thermal effusivity – و هي خاصية تصف كيف يمكن بسهولة لبعض المواد أن تسحب الحرارة من محيطها أو تطلقها.

الكفاءة الحرارية تجمع بين خصائص التوصيل الحراري (مدى سرعة الحرارة التي يمكن أن تنتشر من خلال المواد) والقدرة الحرارية (مقدار الحرارة يمكن تخزينها في حجم معين من المواد). في معظم المواد، إذا كانت واحدة من هذه الخصائص عالية، فالأخرى تميل إلى أن تكون منخفضة. الخزف، على سبيل المثال، لديها قدرة حرارية عالية ولكن توصيلية المنخفض.

للتغلب على هذا، أنشأ الفريق مجموعة مصممة بعناية من المواد. الهيكل الأساسي هو رغوة معدنية، مصنوعة من النحاس أو النيكل، و مغلفة بطبقة من الجرافين لتوفير توصيل حراري أكبر. ثم، يتم غمس الرغوة مع نوع من الشمع يدعى أوكتاديكان، وهي مادة متغيرة الحالة تتغير بين الصلبة والسائلة ضمن نطاق معين من درجات الحرارة المختارة لتطبيق معين.

وأظهرت عينة من المواد التي اختبرت لاستجابة فارق درجة الحرارة بمقدار 10 درجة مئوية بين الليل والنهار، و كانت النتيجة أن العينة الصغيرة من المواد أنتجت 350 ميلي فولت من الجهد و 1.3 ميلي واط من الطاقة -و هو ما يكفي لتشغيل أجهزة استشعار بيئية صغيرة أو أنظمة اتصالات صغيرة.

يقول كوتريل، المؤلف الرئيسي للدراسة: المواد متغيرة الحالة تخزن الحرارة ، و الجرافين هو مادة فائقة التوصيلية عندما يحين الوقت لاستخدام تلك الحرارة لإنتاج تيار كهربائي .

جانب واحد من الجهاز يلتقط الحرارة، و من ثم يشع ببطء في داخله إلى الجانب الآخر. جانب واحد دائما متخلف عن الأخر بينما يحاول النظام الوصول إلى حالة التوازن. هذا الفرق الدائم بين الجانبين يمكنه بعد ذلك أن يحصد من خلال الموصلات الحرارية .

المزيج من المواد الثلاثة – الرغوة المعدنية، الجرافين، والأوكتاديكان – يجعلون من هذه المادة أعلى المواد ذات الكفاءة الحرارية thermal effusivity التي استخدمت على الإطلاق.

في حين تم إجراء الاختبار الأولي باستخدام دورة يومية على مدار 24 ساعة من درجة حرارة الهواء المحيط، يمكن ضبط خصائص المواد بحيث يصبح من الممكن حصاد أنواع أخرى من دورات درجة الحرارة، مثل الحرارة من داخل و خارج المحركات أو الثلاجات أو الآلات في المنشآت الصناعية.

نحن محاطون بالتغيرات والتقلبات في درجة الحرارة، ولكن لم يتم تمييزها جيدا في البيئة. ويرجع ذلك جزئيا إلى عدم وجود طريقة معروفة لتسخيرها.

وقد استخدمت أساليب أخرى في محاولة لجذب الطاقة من الدورات الحرارية، من أجهزة كهربية حرارية ، على سبيل المثال، ولكن النظام الجديد هو الأول الذي يمكن ضبطه للإستجابة على فترات محددة من التغيرات في درجة الحرارة، مثل دورة يومية .

هذه الاختلافات في درجات الحرارة هي ‘ الطاقة غير المستغلة ‘، كما تقول كوتريل، ويمكن أن تكون مصدرا للطاقة التكميلية في نظام هجين يمكن، من خلال الجمع بين مسارات متعددة لإنتاج الطاقة، الحفاظ على العمل حتى لو فشلت المكونات الفردية. وقد تم تمويل البحث جزئيا من منحة من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية في المملكة العربية السعودية، والتي تأمل في استخدام هذا النظام كوسيلة لتشغيل شبكات أجهزة الاستشعار التي ترصد الظروف في حقول النفط و الغاز، على سبيل المثال.

ويقول كوتريل: ‘إنهم يريدون مصادر طاقة متعامدة’، أي مستقلة تماما عن بعضها البعض، مثل مولدات الوقود الأحفوري، والألواح الشمسية، وجهاز الطاقة الجديد. وهكذا، ‘إذا فشل جزء واحد،’ على سبيل المثال إذا تركت الألواح الشمسية في الظلام من قبل عاصفة رملية، ‘سيكون لديك هذه الآلية إضافية لتوليد الطاقة، حتى لو كان يكفي لإرسال رسالة طوارئ.’

ويمكن أن توفر هذه الأنظمة أيضا مصادر طاقة منخفضة الطاقة ولكن طويلة الأمد للركاب أو المستكشفين الذين يستكشفون المواقع النائية، بما في ذلك الأقمار والكواكب الأخرى، كما يقول فولوديمير كومان، وهو باحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومؤلف مشارك في الدراسة الجديدة. بالنسبة لهذه الاستخدامات، يمكن أن يكون جزء كبير من النظام من المواد المحلية بدلا من أن تكون مصنوعة مسبقاً، كما يقول.

مصادر للإستزادة