الملخص:
قام فريق بحث من جامعة ولاية نيويورك بينغهامتون بتطوير ورق حائط ورقي "كهربائي" يمتص الرطوبة من الهواء ويولد كمية صغيرة من الكهرباء بينما يقوم بتخزين تغيرات الرطوبة الداخلية. تم نشر الأبحاث ذات الصلة في مواد الطاقة المتقدمة. وقال الفريق إن هدفه ليس استبدال الشبكة أو الطاقة الشمسية على الأسطح، ولكن تشغيل أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة مثل أجهزة الاستشعار البيئية والوحدات اللاسلكية، واستكشاف السماح للجدران بوظائف جمع الطاقة وتنظيم الرطوبة.
هذا النموذج الأولي ليس ورق جدران متاحًا تجاريًا، ولكنه يعتمد على ورق كروماتوغرافي مختبري يبلغ سمكه حوالي 340 ميكرون. وتنقسم كل وحدة توليد طاقة تبلغ مساحتها حوالي 2 سم مربع إلى ثلاث مناطق: الحواف مغطاة بالجليسرين المسؤول عن امتصاص بخار الماء من الهواء؛ تحتوي المنطقة الوسطى على مادة البولي فينيل بيروليدون (PVP)، والتي تستخدم مسام أصغر وقدرة قوية على امتصاص الماء لتوجيه الرطوبة إلى الداخل؛ تتم معالجة المركز بالشمع، مما يجعل من الصعب مرور الماء السائل من خلاله، ولكن لا يزال بإمكان بخار الماء الهروب عبر المسام الدقيقة. صنع الباحثون أقطابًا كهربائية باستخدام حبر الجرافيت، وقاموا بتوصيل الوحدات من خلال أنابيب ليزر مملوءة بمعجون الفضة، مع إخفاء الدوائر على الجزء الخلفي من الورقة.
تأتي الكهرباء من عملية مستمرة لامتصاص الرطوبة ونقل المياه الداخلية والتبخر المركزي. تتفاعل جزيئات الماء مع المجموعات الكيميائية في الجلسرين والسليلوز وPVP لإطلاق البروتونات، مما يشكل اختلافًا في تركيز الأيونات بين الحواف والمركز، مما يدفع الجزيئات المشحونة إلى التحرك وإنشاء جهد كهربائي، ومن ثم يقوم قطب الجرافيت بجمع التيار. وقد وضع الفريق منطقة استرطابية على المحيط ومنطقة التبخر في المركز، مما يسمح للرطوبة بالتحرك بشكل اتجاهي على طول سطح الورقة. طبقة الشمع ليست مغلقة تمامًا، ولكنها تحجب الماء السائل بشكل انتقائي وتسمح لبخار الماء بالهروب للحفاظ على تدرج الرطوبة.
في ظل ظروف اختبار الرطوبة النسبية بنسبة 80%، تولد وحدة واحدة جهدًا يبلغ حوالي 0.34 فولت، مع كثافة طاقة قصوى تبلغ حوالي 2.2 ميكرووات لكل سنتيمتر مربع، وهو ما يقرب من 0.55 ميكرووات لكل سنتيمتر مربع استنادًا إلى مساحة الوحدة البالغة 4 سنتيمترات مربعة؛ يظل الإخراج مستقرًا لمدة 90 دقيقة تقريبًا. كلما ارتفعت نسبة الرطوبة، زادت كمية الرطوبة التي تمتصها الوحدة وكان الناتج أقوى بشكل عام. عند توصيل 10 وحدات على التوالي، يكون الجهد عند رطوبة نسبية 80% حوالي 2.9 فولت؛ عند توصيل 10 وحدات على التوازي، يكون التيار حوالي 240 ميكروأمبير. تشير الورقة إلى أن كثافة الطاقة لبصمة ورق الحائط بأكملها لا تزال منخفضة، ولم يتم بعد تحسين التصميم الهندسي الحالي لتحقيق الناتج الإجمالي.
قام فريق البحث بعد ذلك بتشكيل مجموعة أكبر من 1,596 وحدة، وخفض الرطوبة الداخلية إلى حوالي 32% خلال 15 دقيقة عند رطوبة نسبية تبلغ حوالي 38%، وأثبت تشغيل لوحة مفاتيح لاسلكية؛ استخدم العرض التوضيحي تخزين طاقة المكثف لتحرير الشحنة عندما كانت لوحة المفاتيح تعمل. وفي تجربة أصغر، قامت 35 وحدة بتشغيل مستشعر الرطوبة لمدة 15 دقيقة تقريبًا. قام البحث أيضًا باختبار حاجز الرطوبة في صندوق مغلق مقاس 30 × 30 × 15 سم. 28 وحدة خفضت الرطوبة من 75% إلى 50% في حوالي 4 دقائق؛ يمكن للورق المسترطب أن يطلق الرطوبة في الهواء الجاف، مما يتسبب في ارتفاع الرطوبة من 15% إلى 20% في حوالي 16 دقيقة. هذه النتائج مأخوذة من تجارب خاضعة للرقابة ولا يمكن تفسيرها بشكل مباشر على أنها قدرة على إزالة الرطوبة على المدى الطويل أو توفير الطاقة للمنزل بأكمله.
يأمل الفريق في استخدام طباعة الشمع، والرش، وطباعة الشاشة، والمعالجة بالليزر لتحقيق عملية طباعة كاملة، ويعتقد أنه ستكون هناك فرص لتوسيع الإنتاج في المستقبل. لكن في الوقت الحالي، لا يزال ورق المختبر قيد الاستخدام، ولم تثبت الأبحاث بعد متانة المنتج، أو استقرار ركوب الدراجات على المدى الطويل، أو الأداء المنزلي الفعلي في ظل ظروف تهوية مختلفة. وأشار الباحثون أيضًا إلى أنه على الرغم من أن الرطوبة المرتفعة يمكن أن تزيد من امتصاص الرطوبة وتوليد الطاقة، إلا أنه عندما تقترب الرطوبة النسبية من 90% إلى 95%، فإن فرق ضغط بخار الماء المطلوب للتبخر المركزي قد يضعف، وقد يميل الناتج إلى الاستقرار أو حتى الانخفاض.
التعليقات